Устройство и принцип работы котлов

Устройство и принцип работы котлов. Паровой или водогрейный котел представляет собой устройство в виде металлического сосуда, который обогревается продуктами сгорания топлива и служит для получения горячей воды или пара. Основным элементам котла является поверхность нагрева поверхность металлических стенок, омываемых с одной стороны горячими газами, а с другой водой.

В современных котлах поверхность нагрева выполняется в виде труб, присоединенных к барабанам и коллекторам. В зависимости от места расположения поверхность нагрева котла делится на радиационную и конвективную. Радиационная поверхность нагрева воспринимает теплоту от газов главным образом вследствие их лучеиспускания. Большая часть этой поверхности, расположенная в топке, называется экраном. В зависимости от места расположения экраны разделяются на боковые трубы размещены на боковых стенках топки, фронтовые трубы находятся на передней стенки и т.д. Конвективная поверхность нагрева воспринимает теплоту от газов при соприкосновении конвекции с ними. Она расположена в газоходах котла, где передача теплоты лучеиспусканием хотя и наблюдается, но не является главной и по величине значительно меньше передачи теплоты конвекцией. Таким образом, полная площадь поверхности нагрева котла м2, равна, где и - площади радиационной и конвективной поверхностей нагрева котла.

Площадь поверхности нагрева котла определяется со стороны, омываемой газами.

При работе парового котла нижняя часть его объема всегда заполнена водой, а верхняя часть паром. Объем котла, занятый водой, называется водяным пространством или водяным объемом. Та часть объема котла, которая при работе заполнена паром, называется паровым пространством. От водяного объема котла зависит устойчивость его работы, т. к. вода в котле выполняет роль аккумулятора теплоты запасает теплоту в период уменьшения нагрузки и отдает ее во время увеличения расхода пара. Поэтому в котлах с большим водяным объемом почти не изменяется давление даже при значительных колебаниях расхода пара. Паровое пространство необходимо для сбора и осушки пара, образующегося в котле.

Чем больше паровое пространство котла, тем благоприятнее условие для удаления влаги из пара осушки. Наличие влаги в паре отрицательно влияет на работу большинства аппаратов, использующих пар. Для удаления влаги из пара в котле предусматривают сепарирующие устройство.

В процессе работы котла паровое и водяное пространства изменяются в зависимости от уровня воды в котле. Самый низкий уровень воды принимается из условия безопасной работы котла. Верхний уровень воды в котле не должен превышать уровня, при котором возможно резкое увеличение влажности образующегося пара или выброс котловой воды в паропровод. Расстояние между низшими и высшими уровнями воды в зависимости от размеров котлов в среднем составляет 50-100 мм. Объем воды между указанными уровнями называется питательными, который в процессе работы котла заполняется попеременно водой и паром.

На этих уровнях устанавливают водоуказательные стекла и пароводопробные краны, с помощью которых можно определить, находится ли уровень воды в котле в допустимых пределах. Давление пара в котле контролируется манометрами, которые присоединяют с помощью сифонной изогнутой трубки к паровому пространству котла.

Кроме того, на котле устанавливают предохранительный и обратный клапаны, вентили на питательном и паровом трубопроводах, а также на спускной линии, размещаемой в самой нижней части котла. Эта линия служит для продувки котла с целью удаления осевшей грязи шлама и выпуска воды при ремонте. Паровой котел малой мощности имеет два барабана верхний и нижний, которые соединены между собой пучком труб, образующих конвективную поверхность котла. В передней части котла размещается топка для сжигания топлива.

Боковые стенки ее покрыты трубами водяными экранами, образующими радиационную поверхность котла. Верхними концами экранной трубы завальцованны в верхнем барабане, а нижними приварены к коллекторам. В результате сжигания топлива в топке образуются дымовые газы высокой температуры. Эти газы проходят по газоходам котла, образуемым перегородками, омывают пучки труб, по которым движется циркулирует вода. В результате газы отдают воде часть своей теплоты и охлаждаются, а вода нагревается и превращается в пар, собираемый в верхнем барабане котла.

Воздух для горения подается в топку снизу через поддувало зольник, где частично собираются зола и мелкие кусочки топлива, провалившиеся через решетку. Каркас котла это несущая металлическая конструкция, воспринимающая вес котла с учетом временных и особых нагрузок и обеспечивающая требуемое взаимное расположение элементов котла. Конструкция каркаса зависит от мощности и компоновки котла. Каркас котла рис представляет собой жесткую пространственную рамную конструкцию, состоящую из колонн, опорных и вспомогательных балок.

Несущие колонны 2 наиболее ответственная часть каркас они воспринимают основные нагрузки и передают их на фундамент 1. колонны изготовляют из швеллеров или двутавров, сваренных между собой с помощью специальных планок. Опорный башмак нижней части колонны состоит из опорной плиты, траверс и ребер. Чтобы предохранить каркас от неравномерного нагрева, его выносят из зоны повышенных температур за обмуровку.

Однако некоторые элементы каркаса, например опорные балки водяного экономайзера, не удается вынести из зоны повышенных температур. В этом случае их изолируют или охлаждают воздухом, проходящем внутри элементов каркаса коробчатого сечения. Рис Каркас котла типа БГ 1-фундамент 2-несущая колонна 3- связи 4-балка Обмуровка котла это система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций котла, предназначенных для уменьшения тепловых потерь и обеспечения газовой плотности.

Конструкция обмуровки зависит от условий, в которых она работает. Если стены топочной камеры закрыты трубами поверхностей нагрева экранированы, то температура внутренней огневой стенки обмуровки будет значительно ниже, чем у неэкранированных котлов, и разность температур между наружной и внутренней стенками обмуровки уменьшится, т.е. обмуровка будет работать в более благоприятных условиях. В этом случае ее можно выполнить более легкой и дешевой. Для котлов малой и средней мощности применяют тяжелые и облегченные обмуровки.

Масса 1 м3 тяжелой обмуровки составляет 1600-1900 кг, а облегченной 350-1300 кг. Для создания жаростойкого слоя в котлах малой и средней мощности применяют сравнительно дешевые материалы шамотный кирпич и шамотобетон. Для теплоизоляционного слоя используют диатомовый кирпич, диатомобетон, совелитовые и вермикулитовые плиты, изделия из шлако- и стекловаты, асбозурит и др. для облегченных обмуровок применяют плиты, панели и щиты из жаростойких и теплоизоляционных бетонов, набивных масс и обмазок.

К гарнитуре котла относятся устройства для обслуживания газоходов и топки котла лазы, гляделки, затворы шлаковых и золовых бункеров, газовые и воздушные клапаны и заслонки, взрывные клапаны, а также обдувочные аппараты. Лазы предназначены для осмотра и ремонта поверхностей нагрева, могут быть прямоугольными размерами не менее 400Ч400 мм или круглыми диаметром не менее 450 мм. Дверцы лазов устанавливают на чугунной раме, которую закрепляют в обмуровку или на каркасе котла.

Гляделки служат для визуального осмотра топки и газоходов с наружной стороны котла. По устройству они не отличаются от лазов, но имеют значительно меньшие размеры. Затворы шлаковых и золовых бункеров используют для периодического удаления золы и шлака из бункеров. Газовые и воздушные клапаны и заслонки применяют для отключения газоходов, а также регулирования тяги и дутья. Взрывные клапаны выпускают дымовые газы при повышении давления в топке или газоходе котла, предохраняя их от разрушения.

Во время работы котла на его поверхностях нагрева могут откладываться шлак и зола, что ухудшает теплопередачу. Очищают поверхности нагрева от золы и шлака струей пара, воздуха или с помощью дробеочистительных установок. Не смотря, на большие различия в устройстве во всех котлах по существу протекают два одинаковых основных процесса горение топлива с образованием газов высокой температуры продуктов сгорания и передача теплоты от этих газов воде. В результате этого в паровых котлах вода нагревается и испаряется, превращаясь в пар. В водогрейных котлах, в отличие от паровых, вода лишь нагревается до требуемой температуры и испарения не происходит.

Работу паровых котлов характеризуют следующие показатели 1. паропроизводительность мощность котла D количество вырабатываемого пара в кг или т в 1 с или в 1 ч 2. паронапряжение поверхности нагрева DHK количество пара, кг, получаемого с одного м2 поверхности нагрева за 1 час. Эта величина является важной характеристикой, отражающей интенсивность паросъема в котле 3. параметры получаемого пара давление и температура 4. КПД котла отношение количества теплоты, расходуемой на образование пара полезная теплота, ко всей затраченной теплоте, вносимой в топку с топливом следовательно, коэффициент характеризует степень использования теплоты сгорания топлива в котле.

Работа водогрейных котлов характеризуется теплопроизводительностью мощностью Q количеством вырабатываемой теплоты в единицу времени Вт, а также тепловым напряжением поверхности нагрева котла QHK, температурой нагрева воды и КПД. Тепловое напряжение поверхности нагрева или удельная тепловая нагрузка, Втм2, вырабатывает количество теплоты, передаваемое за 1 времени через 1 м2 поверхности нагрева.

КПД как парового, так и водогрейного котла выражаются в долях единиц или в процентах. Рис. Котел КВ-ГМ-100 1-передний экран 2-боковой экран 3- промежуточный экран 4-конвективные пакеты 5-задний экран 6-портал 7-камера Производство тепла сегодня Техническое состояние источников теплоснабжения, тепловых сетей и др. объектов коммунальной теплоэнергетики на сегодняшний день не отвечает современным требованиям.

Необходима техническая реконструкция и модернизация всей системы теплоснабжения и внедрение нового энергоэффективного и экологически чистого теплоэнергетического оборудования. В настоящее время на предприятиях коммунальной теплоэнергетики находится в эксплуатации 14039 единиц котельных, где установлено 35,3 тыс. водогрейных и паровых котлов.

Средняя производительность котельной 5 Гкалч, котла 2 Гкалч. Из общего количества котельных только 564 единицы 4 можно отнести к централизованным источникам, мощность каждой из них составляет более 20 Гкалч. Остальные можно отнести к децентрализованным источникам. В частности, производительность 10918 единиц менее 3 Гкалч, на них установлены в основном мелкие неэффективные котлы, как правило, физически изношенные, КПД которых при работе на газе не превышает 75-80, а на угле 70. Почти 64 коммунальных котельных используют в качестве топлива природный газ, 34 котельных уголь и более 2 жидкое топливо.

Срок эксплуатации почти 60 котельных превышает 20 лет, в 38 котельных эксплуатируются малоэффективные устаревшие котлы с низким КПД, устаревшей автоматикой и горелочными устройствами, что обусловливает значительные расходы топлива. Третья часть всего количества парка котлов приходится на неэффективные, снятые с производства, котлы типа НИИСТУ-5 производительностью 0,45-0,7 Гкалч с КПД 75-78 при работе на газе и со средневзвешенным удельным расходом топлива на отпуск теплоэнергии 188 кгГкал при 168 кгГкал по всем коммунальным котельным КПД 85,1. Вместе с тем, даже сложившийся средневзвешенный показатель удельного расхода условного топлива на отпуск теплоэнергии 168 кгГкал уже считается завышенным, на сегодня он не должен превышать 155 кгГкал КПД 92. Такой показатель обеспечил бы экономию топлива в количестве 600-650 тыс. т.у.т что, соответственно, сократило бы вредные выбросы в атмосферу.

Следует отметить, что экономия топлива предприятиями коммунальной теплоэнергетики на протяжении 2000-2004 гг. составляла ежегодно 35-55 тыс. т у.т. или 0,5-0,7. Экономия незначительная, но реальная.

Предприятиями коммунальной теплоэнергетики очень медленно внедряются существующие энергосберегающие технологии, оборудование стареет и физически изнашивается, а удельный расход топлива на отпуск электроэнергии и теплоэнергии по ТЭЦ растет, хотя по котельным достигнуто незначительное снижение.

Медленно внедряется экологически чистая энергосберегающая струйно-нишевая технология сжигания газа в топках котлов ТЭЦ и котельных с использованием струйно-нишевых горелок типа СНГ, а ведь их применение позволяет экономить от 5 до 20 и более энергоресурсов и снизить себестоимость производства теплоэнергии. Струйно-нишевая технология еще не достигла масштабного внедрения в коммунальной теплоэнергетике из-за отсутствия средств, а также действующих стимулов к улучшению роботы оборудования.

Необходимо продолжить работы по выведению из эксплуатации мелких нерентабельных котельных с переключением их тепловых нагрузок на тепловые сети квартальных и районных котельных, ТЭЦ. Перспективным направлением в техническом переоснащении теплоисточников является перевод действующих больших котельных в режим комбинированного производства тепловой и электрической энергии за счет их надстройки газотурбинными двигателями, паротурбинными и газотурбинными установками когенерация с целью роста эффективности использования топлива и повышения экологической безопасности.

В 2004г. городское предприятие Хмельницктеплокоммунэнерго ввело в эксплуатацию когенерационную установку с газовыми двигателями-генераторами стоимостью 2,1 млн. грн которые предоставил ОАО Первомайскдизельмаш как товарный кредит. Предприятие обеспечивает 30 потребности в электроэнергии за счет собственного производства. Стоимость 1 кВтч электроэнергии составляет 9,3 коп. Одна из котельных предприятия Коммунэнергия г. Ривне была также реконструирована под ТЭЦ за счет оснащения двумя когенерационными установками.

Проведена реконструкция двух паровых котлов и увеличена мощность с 23,0 до 60,0 Гкалч, установлено две турбины по 2,5 МВт. Стоимость 1 кВт электрической мощности составила 568,4 3 тыс. грн себестоимость 1 кВтч 14,3 коп. ТЭЦ в 2004г. выработала 13,8 млн. кВтч и более 110 тыс. Гкал теплоэнергии, при этом сэкономлено 4,6 тыс. т у.т. Уровень выбросов понизился на 685,2 т углеродного эквивалента.

Предусматривается внедрить когенерационные установки в Виннице, Черкассах, Житомире и др. городах. В апреле 2005г. в Украине принят Закон О комбинированном производстве тепловой и электрической энергии когенерации и использовании сбросного энергопотенциала, целью которого является создание правовых основ для повышения эффективности использования топлива в процессах производства энергии или других технологических процессах, развития и применения технологий комбинированного производства электрической и тепловой энергии.

Переоборудование котельных в мини-ТЭЦ обеспечит, как показывает анализ их работы, сокращение суммарных расходов топлива на производство тепловой и электрической энергии не менее чем на 20, уменьшение в 2 3 раза расхода средств по сравнению со строительством новых конденсационных электростанций, сокращение в 2 3 и более раз сроков окупаемости по сравнению с ТЭЦ, сокращение потерь электроэнергии, а также уменьшение выбросов токсичных веществ в атмосферу.