Выработка пара и горячей воды в котельных установках

 

В качестве теплоносителя в теплотехнологическом производстве могут использоваться различные газообразные и жидкие вещества, твердые тела. Наиболее широкое применение находят: водяной пар, горячая вода, продукты горения топлива, масла, различные растворы солей, жидкие расплавленные металлы и взвешенные в газовом потоке твердые частицы. Каждый теплоноситель обладает достоинствами и недостатками, определяющими области и границы их применения.

Водяной пар, являющийся одним из основных и наиболее часто применяемых теплоносителей, обладает следующими достоинствами:

· возможность транспортировки теплоносителя на большие расстояния;

· высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации теплоносителя;

· выделение при конденсации скрытой теплоты парообразования, позволяющей уменьшить расход теплоносителя;

· конденсация при постоянной температуре, что позволяет осуществлять стационарный (по температуре) технологический режим.

К недостаткам водяного пара как теплоносителя следует отнести необходимость поддержания постоянного давления.

Горячая вода как теплоноситель имеет относительно высокий коэффициент теплоотдачи и применяется в основном для низкотемпературных процессов (например, для целей отопления). По сравнению с водяным паром горячая вода имеет более низкую температуру, максимальная величина которой лимитируется давлением воды (ограничивается температурой кипения, зависящей от давления).

Продукты горения топлива позволяют осуществлять нагрев технологического материала до любой температуры при малом давлении газов. К недостаткам продуктов горения топлива относится низкий коэффициент теплоотдачи, определяющий большие поверхности теплообмена (громоздкость аппарата), а также невозможность транспортировки газов на большие расстояния.

В качестве основного теплоносителя в теплоиспользующих установках используется пар и горячая вода. Источниками тепла в виде пара и горячей воды являются котельные агрегаты, в которых происходит преобразование химически связанной энергии топлива в тепловую энергию воды и пара [4]. Эти котлы устанавливаются на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), промышленных и районных котельных.

Котельные агрегаты разделяются на 2 основных класса:

а) паровые котлы (парогенераторы) – для получения перегретого пара;

б) водогрейные котлы (теплогенераторы) – для получения горячей воды.

Паровой котел представляет собой систему трубчатых теплообменников, установленных в одном аппарате (рис. 3). Пар заданных параметров образуется из воды, поступающей в трубные поверхности нагрева котла. Нагрев воды и получение пара осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в первой части парогенератора, называемой топочной камерой или топкой.

Процесс получения перегретого пара состоит из трех этапов. Сначала вода нагревается до температуры насыщения (кипения) в теплообменнике змеевикового типа, называемом водяным экономайзером. Затем в специальных испарительных поверхностях нагрева эта вода испаряется с образованием насыщенного пара, имеющего температуру кипения (насыщения) воды. Перегрев пара выше температуры насыщения осуществляется в пароперегревателе.

Таким образом, поверхностями нагрева парогенератора являются водяной экономайзер, испарительные поверхности и пароперегреватель, которые компонуются внутри корпуса котла. Ограждающие поверхности котла выполняются из огнеупорных материалов. В зоне высоких температур, т.е. в топочной камере обмуровка экранируется испарительными трубками для предотвращения их термического разрушения. Эти поверхности получили название топочных экранов.

НП

ПЕ

ИП

ВЭ

 

 

ВЭ – водяной экономайзер, ИП – испарительные поверхности,

ПЕ - пароперегреватель

1 – питательная вода, 2 – кипящая вода, 3 – насыщенный пар, 4 – перегретый пар

 

Рисунок 3. Схема генерации пара в прямоточном котле

 

По принципу организации движения рабочего тела (воды и пара) в поверхностях нагрева паровые котлы разделяются на:

а) прямоточные котлы;

б) циркуляционные котлы.

В прямоточных котлах рабочее тело последовательно проходит поверхности нагрева (рис.3), испаряется и перегревается за одно движение. Движение рабочего тела обусловлено работой питательного насоса НП. Испарительные поверхности такого котла выполняются ленточными из труб, проходящих по всему периметру топочной камеры.

Особенностью котлов с естественной циркуляцией является многократное прохождение рабочего тела через испарительные поверхности, которые включены в состав замкнутого испарительного контура «Б-ОТ-НК-ИП (ТЭ)» (рис.4).

В котлах с естественной циркуляцией движение рабочего тела внутри контура обусловлено различием плотности рабочего тела в трубах ОТ и ИП.

Из барабана котла вода, имеющая температуру кипения (насыщения), по нескольким необогреваемым опускным трубам ОТ (размещенных с внешней стороны топочной камеры) поступает в нижний коллектор (НК). Далее вода распределяется по трубам испарительных поверхностей нагрева (ИП), где происходит ее испарение и образуется пароводяная смесь. За одно движение рабочего тела внутри контура испаряется от 15 до 20 % воды.

 

ВП

ВЭ

Б

ПЕ

Топка

ТЭ (ИП)

ОТ

НК

Г

 

 

 

 

ВЭ – водяной экономайзер, ПЕ – пароперегреватель, Б – барабан котла,

НК – нижний коллектор, ТЭ – топочные экраны, ОТ – опускные трубы,

ВП – воздухоподогреватель, Г – горелочное устройство

1 – питательная вода, 2 – перегретый пар, 3 – холодный воздух, 4 – горячий воздух,

5 – топливо, 6 – уходящие газы, 7 – шлак, 8 – пылеунос

 

Рисунок 4. Барабанный котел с естественной циркуляцией

 

Испарительные поверхности нагрева выполнены в виде вертикальных труб, выходящих из нижнего коллектора НК, и размещены внутри топочной камеры на стенах котла, образуя экраны. В испарительных поверхностях образуется пароводяная смесь, которая в барабане котла разделяется на воду и водяной пар. Вода по опускным трубам снова поступает в испарительные поверхности. Пар, имеющий температуру кипения (насыщения) из барабана котла поступает в пароперегреватель, где нагревается до температуры 400-500^оС.

Топливо (5) вместе с горячим воздухом (4) подается в топочную камеру (топку) через горелочное устройство (Г). Воздух (3) подогревается в воздухоподогревателе (ВП), установленном в хвостовой части котла. Воздухоподогреватель понижает температуру уходящих газов и уменьшает потери тепла в атмосферу (повышает к.п.д. котла). Одновременно подогрев воздуха до 200-400^оС позволяет повысить температуру горения топлива в топочной камере.

Высокотемпературные продукты горения топлива (1700-1800^оС) отдают тепло испарительным поверхностям топочной камеры путем теплового излучения. Поэтому топки имеют большие размеры (большой объем), а испарительные трубы размещаются по периметру камеры. Эта часть котла называется радиационной.

По мере продвижения продуктов горения топлива вверх они охлаждаются до температуры 700-900^оС и поступают в зону пароперегревателя. В связи с более низкой температуры газов теплообмен в зоне пароперегревателя в основном передается конвекцией. Поэтому эта часть котла и последующие поверхности нагрева (водяной экономайзер и воздухоподогреватель) называется конвективной частью котла. Поверхности нагрева конвективной части котла выполняются змеевикового типа и размещаются внутри газоходов котла. В результате трубы пережимают сечение газохода, уменьшают проходное сечение для продуктов сгорания и движение газов ускоряется. Это ведет к усилению интенсивности конвективного теплообмена. На выходе из котла продукты сгорания топлива (6) имеют температуру 180-240^оС.

При сжигании твердого топлива минеральная его часть образует шлак (7), который удаляется из топочной камеры. Наименее мелкие частицы золы в виде пылеуноса (8) выбрасываются в атмосферу с уходящими газами.

Поверхности нагрева котла компонуются в виде букв П, Т, Г (П-образная компоновка котла, Т-образная, Г-образная)

Водогрейные котлы для получения горячей воды выполняются прямоточными и работают на жидком или газообразном топливе. Топочная камера экранирована трубами, в которых вода нагревается до температуры 150-200°С. Конвективные поверхности нагрева водогрейных котлов выполняются змеевикового типа. Для целей подготовки горячей воды на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) используются пароводяные теплообменники, называемые сетевыми подогревателями.

Котельные установки, вырабатывающие пар и горячую воду устанавливаются на районных котельных (РК) и являются источниками тепла систем теплоснабжения. Одновременно паровые котлы устанавливаются и на тепловых электрических станциях, вырабатывающих электроэнергию и тепло.