Котлы с конвективной циркуляцией
Движение воды по замкнутому контуру в котлах
Движением воды по замкнутому контуру именуется циркуляция воды. В состав контура циркуляции, в общем случае, входят такие конструктивные детали котлов, как барабаны, коллекторы, обогреваемые и необогреваемые трубы поверхностей нагрева. Вода как правило проходит по контуру неоднократно либо однократно, двигаясь через поверхности нагрева от входа к выходу.
В зависимости от причин, которые вызывают движение воды циркуляция делится на естественную и принудительную.
Конвективная циркуляция выполняется в паровых котлах, так как движущий напор в контуре формируется разностью плотностей воды и пара. При этом каждый кг воды может поэтапно трансформироваться в пар, неоднократно проходя через контур, либо трансформироваться в пар в один проход через поверхность нагрева.
Циркуляция принудительного типа воды выполняется с применением насоса. Она используется в генераторах тепла и водяных экономайзерах и считается прямоточной.
При любом виде циркуляции и способах ее организации вода и пар, появляющийся в контуре, должны надежно охлаждать металл, что нужно для безаварийной работы котлов.
Конвективная циркуляция воды в паровых котлах. Рассмотрим рабочий принцип конвективной циркуляции на примере контура циркуляции бокового экрана камеры сгорания (рис. 10).
Рис. 10. Схема самого простого контура конвективной циркуляции:
1 – коллектор; 2 – опускная труба; 3 – верхний барабан; 4 – экранные (подъемные ) трубы.
Питательная вода вводится в верхний барабан котла 3. Из него вода опускается по опускной трубе 2 и входит в коллектор 1. На этом месте контура теплота к воде не подводится (труба теплоизолирована шамотной стенкой) и температура воды остается меньше температуры насыщения при этом давлении пара в котле.
Из коллектора вода попадает в обогреваемые трубы экрана 4 и, поднимаясь по ним, нагревается до кипения, кипит и отчасти преобразуется в пар. Появившаяся пароводяная смесь вводится в барабан, где делится на воду и пар. Пар покидает котел, а вода перемешивается с питательной водой и вновь поступает в контур циркуляции.
Участок подъемных труб, где вода нагревается до кипения, именуется экономайзерным, а содержащий пар – паросодержащим. Высота последнего во много раз превосходит высоту экономайзерного участка.
На экономайзерном участке вода двигается с неизменной скоростью, а на паросодержащем участке она регулярно увеличивается, так как кол-во образующегося пара в подъемных трубах постоянно становится больше. Скорость, которую вода имеет на экономайзерном участке, именуется скоростью циркуляции. Из-за причины собственного постоянства скорость движения считается одной их главных характеристик конвективной циркуляции. Ее величина составляет, приблизительно, 0,5 – 1,5 м/с.
Наличие в контуре участков со средами, имеющие различные плотности, делает в контуре разница давлений или движущий напор циркуляции. Давление в опускных трубах формируется столбом воды с плотностью rВ, а в подъемных трубах – столбом воды и пароводяной смеси с плотностью rСМ. Благодаря этому намного плотнее среда вытесняет менее плотную и в контуре формируется движение по кругу воды. Величина движущего напора устанавливается зависимостью вида:
где hПАР – высота паросодержащего участка подъемных труб; g – ускорение свободного падения.
Из выражения движущего напора следует, что для циркуляции недостаточно иметь среды с различной плотностью. Следует также, чтобы паросодержащие трубы расположились вертикально.
В один проход по контуру лишь часть воды преобразуется в пар. Благодаря этому для характеристики интенсивности испарения воды применяется понятие кратности циркуляции:
где М – потребление воды через опускную трубу, кг/ч; Д – кол-во пара, образующегося в обогреваемых трубах, кг/ч.
Аналогичным образом, кратность циркуляции демонстрирует, сколько раз один кг воды должен пройти через контур, чтобы преобразиться в пар. Для экранов k = 50 – 70, для конвективных пучков k = 100 – 200.
Величина, обратная кратности циркуляции, определяет степень сухости влажненького пара х = 1/k. Отсюда делаем вывод про то, что в экранах образуется пароводяная смесь, содержащая не больше 0,02 или 2 % пара. Благодаря этому даже самые теплонапряженные поверхности нагрева котлов, которыми являются экраны, надежно смачиваются и охлаждаются водой.
В конвективных пучках все трубы отапливаются газами, температура которых при прохождении через пучок постоянно уменьшается. Благодаря этому в кипятильных трубах по ходу движения газов паросодержание также уменьшается, а плотность пароводяной смеси увеличивается. Наличие в трубах пучка пароводяной смеси с различной плотностью выполняет движущий напор, который движит воды по следующей схеме: из верхнего барабана вода попадает в задние трубы пучка и по ним поступает в нижний барабан котла; из барабана вода входит в другие трубы пучка и одновременно с паром поступает в верхний барабан.
Циркуляция принудительного типа. Циркуляция принудительного типа применяется в генераторах тепла, а еще в экономайзерах паровых котлов. Движение воды по трубам поверхностей нагрева создает насос. Вода входит в поверхности нагрева холодной, а покидает ее горячей, совершая в котле прямоточное движение. Кратность движения воды по замкнутому контуру равна единице.
Для создания прямоточного движения воды поверхности нагрева котлов делаются в виде отдельных панелей, соединяющиеся между собой постепенно или параллельно. Панель делается из одного ряда труб, концы которых замкнуты на нижний (распределительный) и верхний (собирающий) коллекторы. При этом трубы могут иметь как прямую (как правило), так и змеевиковую конфигурацию.
При параллельном подсоединении труб к коллекторам вода проходит по трубам неодинаковыми затратами, что вызвано различиями в гидравлических сопротивлениях труб и неодинаковым обогревом труб газами. Благодаря этому в некоторые трубы воды поступает меньше, чем это необходимо для хорошего охлаждения металла. Может даже вскипание воды в отдельных трубах, что еще в основном понижает водоподача в подобные трубы.
Движение воды в трубах бывает как подъемным, так и опускным. Однако чтобы избежать вскипания воды ее скорость принимается не меньше 0,5–1 м/с. по той же причине перепад водного давления в котлах не обязан быть более 0,2 МПа.
17 Характеристика и конструкции котлов. Энергетические котлы с конвективной циркуляцией
17.1 Характеристики и конструкции котлов
В промышленности и на тепловых электрических станциях очень популярны котлы для выработки пара перегретого разных показателей с естественной или циркуляцией принудительного типа. Порой для получения пара используют котлы особенной конструкции и специального назначения: котлы с переходными тепловыми носителями, котлы с давлением в газовом тракте; реакторы и парогенераторы АЭС; котлы, которые применяют теплоту газов инновационных и энерготехнологических агрегатов, и др.
Неподвижные котлы, предназначающиеся для выработки пара, применяемого технологичными и бытовыми потребителями, а еще в турбоагрегатах для выработки электрической энергии, стандартизованы по показателям и мощности (ГОСТ 3619-82). Предусматривается производство следующих неподвижных котлов:
— котлы малого давления с естественной и циркуляцией принудительного типа, плюс к этому котлы с давлением пара 0,88 МПа (9 кг/см 2 ), работоспособностью 0,16—1 т/ч сочного пара, температура питательной воды 50°С; пар применяется производственными и бытовыми потребителями;
— котлы среднего давления, к которым относятся котлы с конвективной циркуляцией с давлением пара для выработки сочного и слабо перегретого пара давлением 1,36 МПа (14кгс/см 2 ), работоспособностью 2,5?160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
— котлы с конвективной циркуляцией для выработки сочного и слабо перегретого пара с давлением 2,36 МПа (24кгс/см 2 ), работоспособностью 50—160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
— котлы среднего давления 3,9 МПа (40кгс/см 2 ), с конвективной циркуляцией, вырабатывающие перегретый пар с давлением 3,9 МПа (40кгс/см 2 ), температурой 440°С, продуктивность данных котлов 10?160 т/ч при температуре питательной воды 150°С;
котлы большого давления с естественной и циркуляцией принудительного типа работоспособностью 220?820 т/ч. Данные котлы вырабатывают перегретый пар с давлением 9,8 МПа (100кгс/см 2 ), температурой 540°С при температуре питательной воды 215 °С;
— котлы большого давления — 13,8 МПа (140 кгс/см 2 ), температура перегретого пара 540?560°С, продуктивность 210?1000 т/ч, температура питательной воды 215 °С;
— котлы сверхкритического давления прямоточные, работоспособностью 1000?3950 т/ч, вырабатывающие пар с давлением 25 МПа (255 кгс/см 2 ), с температурой перегретого пара 540?560°С, температура питательной воды 270 °С.
Обозначение типов котлов: конвективной циркуляцией — Е, с промежуточным перегревом — ЕПР. прямоточные — П, с промежуточным перегревом — ППР .
К ключевым показателям паровых котлов ГОСТ относит номинальную продуктивность D, кг/с; номинальное давление пара р, МПа (кгс/см 2 ); температуру перегретого пара tnn, °С; номинальную температуру питательной воды в, °С; КПД брутто.
Первая ступень энергетических показателей пара (3,90 МПа, 440 °С) принята, исходя из возможности выполнения пароперегревателя и ступенек большого давления турбины из углеродистой стали. Температура труб пароперегревателя должна быть не выше 500°С. Давление 3,90 МПа принято по условию допустимой конечной влаги пара в ступенях малого давления турбины 10?12%. Давление 9,80 МПа отвечает предельно возможной при принятой температуре пара 540 °С, влаги пара в турбине, которая в данном случае не будет больше 12 %.
Параметры 13,8 МПа, 560°С подобраны, исходя из условий допустимого увеличения начального давления если есть наличие промежуточного перегрева пара и сохранении при этом допустимой конечной влаги пара. Значения очень высоких показателей пара определяются условиями хорошей работы современных легированных марок стали. Ведутся работы по использованию пара и более больших показателей. Есть квалифицированные установки с давлением пара 29,4 МПа и температурой 600 °С.
Котлы для выработки пара высокого и сверхкритического (25 МПа) давления предназначены для тепловых электростанций средней и высокой мощности. Шкалы давления и продуктивности энергетических котлов в ГОСТ приняты исходя из этого показателям пара и мощности стандартизированных турбоагрегатов, исходя из установки одного-двух котлов на турбоагрегат.
Стандартизация показателей пара и мощности неподвижных котлов, введенная у нас еще в предвоенные годы, позволила организовать промышленнное производство энергетического оборудования, что значительно снизило стоимость изготовления котлов и нужного для них дополнительного оборудования, а еще обеспечило использование наиболее хороших решений в энергетике.
В основном используемые в промышленности котлы с естественной и циркуляцией принудительного типа принципиально отличаются только организацией гидродинамики в испарительных поверхностях нагрева. Схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в данных котлах показаны на рис. 17.1.
В котлах с конвективной циркуляцией (рис. 17.1, а) питательная подается вода насосом в экономайзер, а из него в верхний барабан. В процессе конвективной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, появившаяся пароводяная смесь направляется в барабан, в котором происходит зонирование пара и воды. Из барабана пар направляется на перегрев в пароперегреватель и потом — к потребителям. При критическом давлении в котле конвективная циркуляция не представляется возможной. Это положение,’ а еще условия надежности циркуляции, увеличение массы и стоимости конструкции по мере увеличения давления в котле установили использование котлов с конвективной циркуляцией при давлении до 13,8 МПа. Котлы невысокого и среднего давления в основном исполняют с конвективной циркуляцией, что поясняется как правило менее жёсткими требованиями к качеству питательной воды, весьма простой системой автоматизации процессов горения и питания и отсутствием расходов электрической энергии на воплощение движения среды работы в испарительной системе.
В котлах с многократной циркуляцией принудительного типа (рис. 17.1,6) питательная подается вода насосом в экономайзер и дальше в барабан. В испарительных поверхностях нагрева циркуляция выполняется принудительно благодаря работе насоса, включенного в контур циркуляции. Зонирование пара и воды происходит в барабане, из которого пар направляется в пароперегреватель и дальше к потребителям.
Котлы с многократной циркуляцией принудительного типа используют как правило для применения теплоты газов инновационных и энерготехнологических агрегатов для выработки пара невысоких и средних показателей. При большом давлении в подобных котлах усложняются конструкции и рабочие условия циркулярных насосов, работающих на воде с температурой более 300 °С. При давлении 13,8 МПа и выше на районных КЭС и ТЭЦ в большинстве случаев используют прямоточные котлы. В прямоточных котлах (рис. 17.1, в) экономайзер, испарительная поверхность нагрева и пароперегреватель конструктивно воссоединены и, проходя их постепенно, вода нагревается, выветривается и появившийся пар перегревается, после этого идет к потребителям. Полное парообразование воды происходит за время однократного прямоточного прохождения воды в испарительной части поверхности нагрева. Отсутствие барабана в прямоточных котлах большого давления значительно (на 8?10%) уменьшает расходы металла на изготовление котла в сравнении с барабанным котлом аналогичный мощности и давления. Котлы с давлением 25 МПа исполняют только прямоточными.
Есть бесчисленные конструкции различных типов котлов, что устанавливается большинством факторов, которые влияют на выбор того либо другого технического решения: параметрами пара, работоспособностью, видом топлива и способом его сжигания, характеристикой питательной воды, требуемыми показателями эксплуатации. Общие направленности формирования конструкций котлов определяются требованиями увеличения надежности и экономности работы, т. е. увеличения КПД брутто и нетто, снижения удельных расходов металла, стоимости изготовления и процесса установки уменьшения вредных выбросов, гарантии безопасности работы и облегчения труда персонала.
Паровые котлы с конвективной циркуляцией
В паровых котлах для превращения питательной воды в пар используются разные схемы циркуляции носителя тепла: природная, многократная понудительная и прямоточная. Самое большое распространение получили котлы с конвективной циркуляцией.
Подписаться на публикации можно на главной странице сайта.
Методика получения пара предусматривает очередность нескольких физических процессов. Все начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Данный процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис.1).
После экономайзера вода попадает в испарительные поверхности нагрева, которые располагают, в основном, в топочных камерах паровых котлов. Из названия данного компонента котла ясно, что тут происходит образование пара, который потом в некоторых котлах поступает в пароперегреватель. Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно, а вот парообразующие поверхности нагрева бывают разнообразными. Очень часто в котлах пароводяная смесь неоднократно идет через обогреваемые трубки топочных экранов за счёт конвективной циркуляции или в результате многократно-принудительной циркуляции (с применением особенного насоса). В котлах, которые называют прямоточными, пароводяная смесь идет через испарительные поверхности нагрева однократно, за счёт давления, создаваемого питательным насосом.
Подробно нужно остановиться на особенностях процесса получения пара в котлах с конвективной циркуляцией.
На рис. 1 приведена схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, сделанного по классической П-образной схеме. Питательная вода попадает в экономайзер, находящийся в конвективной шахте. Экономайзер считается первой частью водопарового тракта котла: нагретая в нем вода попадает в барабан, который, в собственной части которая находится снизу, объединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, расположенным у нижней кромки топочной камеры. Из данных коллекторов вода попадает в вертикальные трубки топочных экранов. Собственно здесь, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны выветривается не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает к потребителю или во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь проникает в опускные трубы циркуляционного контура.
Рис. 1. Схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе:
1 – горелки; 2 – топка; 3 – топочный экран; 4 – барабан; 5 – опускные трубы; 6 – фестон; 7 – пароперегреватель; 8 – конвективный газоход; 9 – экономайзер;10 – трубчатый воздухоподогреватель; 11 – находящиеся снизу коллектора топочных экранов
Подъемно-опускное движение по контуру конвективной циркуляции (т.е. по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствии разности плотностей воды в котле и пароводяной смеси.
Для увеличения надежности циркуляции на барабанных котлах очень высокого давления (17–18 МПа) используют понудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 2, б). Как видно из приведенных схем, котел с циркуляцией принудительного типа разнится от котла с конвективной циркуляцией (рис.2, а) наличием насоса для воды в котле. На этом же рисунке (2, в) показана схема прямоточного котла.
Рис. 2. Схема движения воды и пара перегретого:
а) барабанный котел с конвективной циркуляцией; б) барабанный котел с циркуляцией принудительного типа; в) прямоточный котел
1 – питательный насос; 2 – экономайзер; 3 – верхний барабан котла; 4 – опускные трубы; 5 – испарительные подъемные трубы; 6 – пароперегреватель; 7 – циркулярный насос; 8 – нижний коллектор
В прямоточных котлах, которые не имеют барабана, а контур разомкнут, превращение воды в пар происходит в один проход нагревателя, и кратность циркуляции равняется единице. В барабанных котлах данный показатель больше. В котлах с циркуляцией принудительного типа, у которых есть нагреватели в виде змеевиков, кратность циркуляции составляет в большинстве случаев от 3 до 10. В котлах с естественной конвекцией такой параметр в большинстве случаев составляет 10–50, а при небольшой тепловой нагрузке труб – 200–300.
Специфики и плюсы
Главным параметром, которым руководствуются при подборе марки парового котла с конвективной циркуляцией (ПКЕЦ), считается его паропроизводительность, измеряемая в т/ч или кг/ч. Большой ряд моделей ПКЕЦ дает возможность подобрать котлы с необходимой работоспособностью, начиная от нескольких килограммов до нескольких тонн пара в час. Важными показателями состояния пара перегретого считаются его давление и температура.
Широкий круг моделей ПКЕЦ позволяет генерить пар перегретый с лишним давлением от десятых долей до нескольких десятков атмосфер. ПКЕЦ как правило будут работать на самых разных видах органического топлива: природном газе, угле, дровах и деревянных отходах, а еще на топливе жидкого типа – сырой (стабилизированной) нефти, мазуте, дизельном топливе. Во многих случаях применяются особенные топочные устройства, разрешающие ПКЕЦ работать на нескольких видах топлива. Не считая классического использования для генерации инновационного пара, они широко применяются в самых разных областях: на ЖД и водном транспорте, в пищевой, легкой и добывающей промышленности.
Главные положительные качества ПКЕЦ – большая надежность, легкость эксплуатации, очень высокая степень автоматизации и экономности.
Создание условий надежности циркуляции в топочных экранах достигается ограничением рабочего давления котлоагрегата – как правило не выше 155 атм. Вызвано это тем, что при более большом давлении сильно уменьшается разница плотностей пара и воды, из-за чего не обеспечивается продуктивная циркуляция.
Современные ПКЕЦ производственники укомплектовывают микропроцессорной системой управления и защиты. К примеру, система «Альфа-М» производства фирмы «Энергетик» (Москва) дает возможность добиться простоты и удобства в обслуживании. Использование систем такого типа оптимизирует соотношение «топливо-воздух» при самых разнообразных расходах топлива, что благотворно проявляется и на эффективности производства энергии тепла.
Котлы данного типа могут использоваться в самых разных зонах климата, не просят непростых работ по наладке и пуску. Большим преимуществом не очень больших самых новых моделей ПКЕЦ считается их моноблочное выполнение. В подобной конструкции предусматривается миниатюрная установка на одной раме с агрегатом вентилятора, дымососа и питательного насоса. Комбинирование большой степени конструкторской проработки с точными системами управления и контроля дает возможность добиться в ПКЕЦ высоких значений КПД, которые могут превосходить 90 %.
В моноблочном выполнении котлы поставляются единым транспортабельным блоком – в готовом виде, в обмуровке и обшивке. Их монтаж относительно несложен. Компактность установки оборудования не мешает проведению текущего и аварийного ремонтов, а еще осуществлению профилактических процедур – все узлы и детали доступные для исследования.
ПКЕЦ на рынке России
На рынке России паровых котлов, а еще на всей территории СНГ чаще остальных можно повстречать промышленные котлы с конвективной циркуляцией, причем находится продукция как отечественных, так и заграничных изготовителей. Котлы, изготовленные в РФ, имеют в маркировке индекс «Е», отражающий принцип конвективной циркуляции носителя тепла в данных моделях. По стоимости они более выигрышны если сравнивать с заграничными подобиями.
Паровые котлы серии «Е», выпускаются ООО «ПТО» (Москва), – вертикально-водотрубные, с 2-мя барабанами, размещенными на одной вертикальной оси и объединенными между собой трубами диаметром 51 мм.
Котлы серии «Е» выпускаются в следующих типах, все зависит от применяемого топлива: Е 1,0-0,9 Г-З (Э) – для работы на природном газе, Е 1,0-0,9 М-З (Э) – для работы на мазуте, Е 1,0-0,9 Р-З (Э) – для работы на твёрдом топливе, Е 1,6-0,9 ГМН (Э) – для работы на газе или мазуте. Первая из групп цифр, следующая за индексом «Е», означает паропроизводительность (т/ч), вторая – давление пара в котле (МПа). Обозначение «Н» указывает на наличие в котле системы наддува.
Котлы серии «Е» предназначаются для изготовления сочного пара перегретого с рабочим давлением 8 атм. Этот пар потребляется разными фирмами промышленности, транспорта, а еще фирмами фермерского хозяйства для отопительных, инновационных, хозяйственных и домашних потребностей.
Рис. 3. Паровой котел с конвективной циркуляцией E-1,0 — 0,9 ГМ.
ГК «Комплексные системы» (Санкт-Петербург) рекомендует паровые котлы серии «КЕ» – со слоевыми механическими камерами сгорания работоспособностью от 2,5 до 10 т/ч. Данные котлы предназначаются для выработки сочного или перегретого пара перегретого, который находит использование для инновационных нужд предприятий промышленности, а также в системах обогрева, вентиляции и ГВС.
Серия «КЕ» делится на вариации «КЕ-С», снабженные слоевыми топочными устройствами, и вариации «КЕ-МТ», в которых есть камера сгорания предварительного скоростного горения.
Котлы серий «ДЕ» рекомендует промышленная группа «Генерация» (г. Березовский, Свердловская обл.). Они как правило будут работать на самых разных видах топлива (газ, мазут) и имеют продуктивность от 4 до 25 т/ч. Предназначаются для выработки сочного или слабоперегретого пара, применяемого для инновационных нужд фирм, а еще для отапливания, вентиляции и ГВС. Серия «МЕ» разнится от прошлой серии тем, что котлы данной серии имеют большую на 20 % поверхность нагрева и, поэтому, намного большой коэффициэнт полезного действия. Котлы той же серии рекомендует и компания «Теплоуниверсал» (Санкт-Петербург).
Из заграничных изготовителей можно именовать итальянскую фирму Garioni Naval, поставляющую на отечественный рынок промышленные модели марки GMT/HP 200–2000, паропроизводительностью от 0,3 до 3,5 т/ч. Характерная черта котлов данной серии – величина рабочего давления получаемого пара, которая может изменяться от 5 до 110 атм. Давление пара перегретого в указанном диапазоне отвечает температуре носителя тепла от 152 до 318 °С, что дает возможность использовать котлы данной серии в самых разных ветвях промышленности.
Паровые котлы большого давления с конвективной циркуляцией типа НРВ (фирма из Германии BBS GmbH) имеют паропроизводительность от 0,3 до 8 т/ч. Водотрубные котлы данной серии могут делать сочный пар с рабочим давлением до 120 атм. Тепловой носитель с этими параметрами в большинстве случаев применяется в химической, нефтехимической, пищевой, а еще косметической промышленностях.
Показаны также паровые котлы малого давления заграничного производства. Так, фирма Viessmann (Германия) создает котлы марки Vitoplex 100-LS работоспособностью 0,26–2,2 т/ч на жидком или газообразном топливе, с рабочим давлением в котле 7 атм.
Публикация размещена в журнале "Промышленные и отопительные котельные установки и мини-ТЭЦ" № 2(7)` 2011
Котлы с конвективной циркуляцией
Движение воды по замкнутому контуру в котлах
Движением воды по замкнутому контуру именуется циркуляция воды. В состав контура циркуляции, в общем случае, входят такие конструктивные детали котлов, как барабаны, коллекторы, обогреваемые и необогреваемые трубы поверхностей нагрева. Вода как правило проходит по контуру неоднократно либо однократно, двигаясь через поверхности нагрева от входа к выходу.
В зависимости от причин, которые вызывают движение воды циркуляция делится на естественную и принудительную.
Конвективная циркуляция выполняется в паровых котлах, так как движущий напор в контуре формируется разностью плотностей воды и пара. При этом каждый кг воды может поэтапно трансформироваться в пар, неоднократно проходя через контур, либо трансформироваться в пар в один проход через поверхность нагрева.
Циркуляция принудительного типа воды выполняется с применением насоса. Она используется в генераторах тепла и водяных экономайзерах и считается прямоточной.
При любом виде циркуляции и способах ее организации вода и пар, появляющийся в контуре, должны надежно охлаждать металл, что нужно для безаварийной работы котлов.
Конвективная циркуляция воды в паровых котлах. Рассмотрим рабочий принцип конвективной циркуляции на примере контура циркуляции бокового экрана камеры сгорания (рис. 10).
Рис. 10. Схема самого простого контура конвективной циркуляции:
1 – коллектор; 2 – опускная труба; 3 – верхний барабан; 4 – экранные (подъемные ) трубы.
Питательная вода вводится в верхний барабан котла 3. Из него вода опускается по опускной трубе 2 и входит в коллектор 1. На этом месте контура теплота к воде не подводится (труба теплоизолирована шамотной стенкой) и температура воды остается меньше температуры насыщения при этом давлении пара в котле.
Из коллектора вода попадает в обогреваемые трубы экрана 4 и, поднимаясь по ним, нагревается до кипения, кипит и отчасти преобразуется в пар. Появившаяся пароводяная смесь вводится в барабан, где делится на воду и пар. Пар покидает котел, а вода перемешивается с питательной водой и вновь поступает в контур циркуляции.
Участок подъемных труб, где вода нагревается до кипения, именуется экономайзерным, а содержащий пар – паросодержащим. Высота последнего во много раз превосходит высоту экономайзерного участка.
На экономайзерном участке вода двигается с неизменной скоростью, а на паросодержащем участке она регулярно увеличивается, так как кол-во образующегося пара в подъемных трубах постоянно становится больше. Скорость, которую вода имеет на экономайзерном участке, именуется скоростью циркуляции. Из-за причины собственного постоянства скорость движения считается одной их главных характеристик конвективной циркуляции. Ее величина составляет, приблизительно, 0,5 – 1,5 м/с.
Наличие в контуре участков со средами, имеющие различные плотности, делает в контуре разница давлений или движущий напор циркуляции. Давление в опускных трубах формируется столбом воды с плотностью rВ, а в подъемных трубах – столбом воды и пароводяной смеси с плотностью rСМ. Благодаря этому намного плотнее среда вытесняет менее плотную и в контуре формируется движение по кругу воды. Величина движущего напора устанавливается зависимостью вида:
где hПАР – высота паросодержащего участка подъемных труб; g – ускорение свободного падения.
Из выражения движущего напора следует, что для циркуляции недостаточно иметь среды с различной плотностью. Следует также, чтобы паросодержащие трубы расположились вертикально.
В один проход по контуру лишь часть воды преобразуется в пар. Благодаря этому для характеристики интенсивности испарения воды применяется понятие кратности циркуляции:
где М – потребление воды через опускную трубу, кг/ч; Д – кол-во пара, образующегося в обогреваемых трубах, кг/ч.
Аналогичным образом, кратность циркуляции демонстрирует, сколько раз один кг воды должен пройти через контур, чтобы преобразиться в пар. Для экранов k = 50 – 70, для конвективных пучков k = 100 – 200.
Величина, обратная кратности циркуляции, определяет степень сухости влажненького пара х = 1/k. Отсюда делаем вывод про то, что в экранах образуется пароводяная смесь, содержащая не больше 0,02 или 2 % пара. Благодаря этому даже самые теплонапряженные поверхности нагрева котлов, которыми являются экраны, надежно смачиваются и охлаждаются водой.
В конвективных пучках все трубы отапливаются газами, температура которых при прохождении через пучок постоянно уменьшается. Благодаря этому в кипятильных трубах по ходу движения газов паросодержание также уменьшается, а плотность пароводяной смеси увеличивается. Наличие в трубах пучка пароводяной смеси с различной плотностью выполняет движущий напор, который движит воды по следующей схеме: из верхнего барабана вода попадает в задние трубы пучка и по ним поступает в нижний барабан котла; из барабана вода входит в другие трубы пучка и одновременно с паром поступает в верхний барабан.
Циркуляция принудительного типа. Циркуляция принудительного типа применяется в генераторах тепла, а еще в экономайзерах паровых котлов. Движение воды по трубам поверхностей нагрева создает насос. Вода входит в поверхности нагрева холодной, а покидает ее горячей, совершая в котле прямоточное движение. Кратность движения воды по замкнутому контуру равна единице.
Для создания прямоточного движения воды поверхности нагрева котлов делаются в виде отдельных панелей, соединяющиеся между собой постепенно или параллельно. Панель делается из одного ряда труб, концы которых замкнуты на нижний (распределительный) и верхний (собирающий) коллекторы. При этом трубы могут иметь как прямую (как правило), так и змеевиковую конфигурацию.
При параллельном подсоединении труб к коллекторам вода проходит по трубам неодинаковыми затратами, что вызвано различиями в гидравлических сопротивлениях труб и неодинаковым обогревом труб газами. Благодаря этому в некоторые трубы воды поступает меньше, чем это необходимо для хорошего охлаждения металла. Может даже вскипание воды в отдельных трубах, что еще в основном понижает водоподача в подобные трубы.
Движение воды в трубах бывает как подъемным, так и опускным. Однако чтобы избежать вскипания воды ее скорость принимается не меньше 0,5–1 м/с. по той же причине перепад водного давления в котлах не обязан быть более 0,2 МПа.
17 Характеристика и конструкции котлов. Энергетические котлы с конвективной циркуляцией
17.1 Характеристики и конструкции котлов
В промышленности и на тепловых электрических станциях очень популярны котлы для выработки пара перегретого разных показателей с естественной или циркуляцией принудительного типа. Порой для получения пара используют котлы особенной конструкции и специального назначения: котлы с переходными тепловыми носителями, котлы с давлением в газовом тракте; реакторы и парогенераторы АЭС; котлы, которые применяют теплоту газов инновационных и энерготехнологических агрегатов, и др.
Неподвижные котлы, предназначающиеся для выработки пара, применяемого технологичными и бытовыми потребителями, а еще в турбоагрегатах для выработки электрической энергии, стандартизованы по показателям и мощности (ГОСТ 3619-82). Предусматривается производство следующих неподвижных котлов:
— котлы малого давления с естественной и циркуляцией принудительного типа, плюс к этому котлы с давлением пара 0,88 МПа (9 кг/см 2 ), работоспособностью 0,16—1 т/ч сочного пара, температура питательной воды 50°С; пар применяется производственными и бытовыми потребителями;
— котлы среднего давления, к которым относятся котлы с конвективной циркуляцией с давлением пара для выработки сочного и слабо перегретого пара давлением 1,36 МПа (14кгс/см 2 ), работоспособностью 2,5?160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
— котлы с конвективной циркуляцией для выработки сочного и слабо перегретого пара с давлением 2,36 МПа (24кгс/см 2 ), работоспособностью 50—160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
— котлы среднего давления 3,9 МПа (40кгс/см 2 ), с конвективной циркуляцией, вырабатывающие перегретый пар с давлением 3,9 МПа (40кгс/см 2 ), температурой 440°С, продуктивность данных котлов 10?160 т/ч при температуре питательной воды 150°С;
котлы большого давления с естественной и циркуляцией принудительного типа работоспособностью 220?820 т/ч. Данные котлы вырабатывают перегретый пар с давлением 9,8 МПа (100кгс/см 2 ), температурой 540°С при температуре питательной воды 215 °С;
— котлы большого давления — 13,8 МПа (140 кгс/см 2 ), температура перегретого пара 540?560°С, продуктивность 210?1000 т/ч, температура питательной воды 215 °С;
— котлы сверхкритического давления прямоточные, работоспособностью 1000?3950 т/ч, вырабатывающие пар с давлением 25 МПа (255 кгс/см 2 ), с температурой перегретого пара 540?560°С, температура питательной воды 270 °С.
Обозначение типов котлов: конвективной циркуляцией — Е, с промежуточным перегревом — ЕПР. прямоточные — П, с промежуточным перегревом — ППР .
К ключевым показателям паровых котлов ГОСТ относит номинальную продуктивность D, кг/с; номинальное давление пара р, МПа (кгс/см 2 ); температуру перегретого пара tnn, °С; номинальную температуру питательной воды в, °С; КПД брутто.
Первая ступень энергетических показателей пара (3,90 МПа, 440 °С) принята, исходя из возможности выполнения пароперегревателя и ступенек большого давления турбины из углеродистой стали. Температура труб пароперегревателя должна быть не выше 500°С. Давление 3,90 МПа принято по условию допустимой конечной влаги пара в ступенях малого давления турбины 10?12%. Давление 9,80 МПа отвечает предельно возможной при принятой температуре пара 540 °С, влаги пара в турбине, которая в данном случае не будет больше 12 %.
Параметры 13,8 МПа, 560°С подобраны, исходя из условий допустимого увеличения начального давления если есть наличие промежуточного перегрева пара и сохранении при этом допустимой конечной влаги пара. Значения очень высоких показателей пара определяются условиями хорошей работы современных легированных марок стали. Ведутся работы по использованию пара и более больших показателей. Есть квалифицированные установки с давлением пара 29,4 МПа и температурой 600 °С.
Котлы для выработки пара высокого и сверхкритического (25 МПа) давления предназначены для тепловых электростанций средней и высокой мощности. Шкалы давления и продуктивности энергетических котлов в ГОСТ приняты исходя из этого показателям пара и мощности стандартизированных турбоагрегатов, исходя из установки одного-двух котлов на турбоагрегат.
Стандартизация показателей пара и мощности неподвижных котлов, введенная у нас еще в предвоенные годы, позволила организовать промышленнное производство энергетического оборудования, что значительно снизило стоимость изготовления котлов и нужного для них дополнительного оборудования, а еще обеспечило использование наиболее хороших решений в энергетике.
В основном используемые в промышленности котлы с естественной и циркуляцией принудительного типа принципиально отличаются только организацией гидродинамики в испарительных поверхностях нагрева. Схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в данных котлах показаны на рис. 17.1.
В котлах с конвективной циркуляцией (рис. 17.1, а) питательная подается вода насосом в экономайзер, а из него в верхний барабан. В процессе конвективной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, появившаяся пароводяная смесь направляется в барабан, в котором происходит зонирование пара и воды. Из барабана пар направляется на перегрев в пароперегреватель и потом — к потребителям. При критическом давлении в котле конвективная циркуляция не представляется возможной. Это положение,’ а еще условия надежности циркуляции, увеличение массы и стоимости конструкции по мере увеличения давления в котле установили использование котлов с конвективной циркуляцией при давлении до 13,8 МПа. Котлы невысокого и среднего давления в основном исполняют с конвективной циркуляцией, что поясняется как правило менее жёсткими требованиями к качеству питательной воды, весьма простой системой автоматизации процессов горения и питания и отсутствием расходов электрической энергии на воплощение движения среды работы в испарительной системе.
В котлах с многократной циркуляцией принудительного типа (рис. 17.1,6) питательная подается вода насосом в экономайзер и дальше в барабан. В испарительных поверхностях нагрева циркуляция выполняется принудительно благодаря работе насоса, включенного в контур циркуляции. Зонирование пара и воды происходит в барабане, из которого пар направляется в пароперегреватель и дальше к потребителям.
Котлы с многократной циркуляцией принудительного типа используют как правило для применения теплоты газов инновационных и энерготехнологических агрегатов для выработки пара невысоких и средних показателей. При большом давлении в подобных котлах усложняются конструкции и рабочие условия циркулярных насосов, работающих на воде с температурой более 300 °С. При давлении 13,8 МПа и выше на районных КЭС и ТЭЦ в большинстве случаев используют прямоточные котлы. В прямоточных котлах (рис. 17.1, в) экономайзер, испарительная поверхность нагрева и пароперегреватель конструктивно воссоединены и, проходя их постепенно, вода нагревается, выветривается и появившийся пар перегревается, после этого идет к потребителям. Полное парообразование воды происходит за время однократного прямоточного прохождения воды в испарительной части поверхности нагрева. Отсутствие барабана в прямоточных котлах большого давления значительно (на 8?10%) уменьшает расходы металла на изготовление котла в сравнении с барабанным котлом аналогичный мощности и давления. Котлы с давлением 25 МПа исполняют только прямоточными.
Есть бесчисленные конструкции различных типов котлов, что устанавливается большинством факторов, которые влияют на выбор того либо другого технического решения: параметрами пара, работоспособностью, видом топлива и способом его сжигания, характеристикой питательной воды, требуемыми показателями эксплуатации. Общие направленности формирования конструкций котлов определяются требованиями увеличения надежности и экономности работы, т. е. увеличения КПД брутто и нетто, снижения удельных расходов металла, стоимости изготовления и процесса установки уменьшения вредных выбросов, гарантии безопасности работы и облегчения труда персонала.
Паровые котлы с конвективной циркуляцией
В паровых котлах для превращения питательной воды в пар используются разные схемы циркуляции носителя тепла: природная, многократная понудительная и прямоточная. Самое большое распространение получили котлы с конвективной циркуляцией.
Подписаться на публикации можно на главной странице сайта.
Методика получения пара предусматривает очередность нескольких физических процессов. Все начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Данный процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис.1).
После экономайзера вода попадает в испарительные поверхности нагрева, которые располагают, в основном, в топочных камерах паровых котлов. Из названия данного компонента котла ясно, что тут происходит образование пара, который потом в некоторых котлах поступает в пароперегреватель. Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно, а вот парообразующие поверхности нагрева бывают разнообразными. Очень часто в котлах пароводяная смесь неоднократно идет через обогреваемые трубки топочных экранов за счёт конвективной циркуляции или в результате многократно-принудительной циркуляции (с применением особенного насоса). В котлах, которые называют прямоточными, пароводяная смесь идет через испарительные поверхности нагрева однократно, за счёт давления, создаваемого питательным насосом.
Подробно нужно остановиться на особенностях процесса получения пара в котлах с конвективной циркуляцией.
На рис. 1 приведена схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, сделанного по классической П-образной схеме. Питательная вода попадает в экономайзер, находящийся в конвективной шахте. Экономайзер считается первой частью водопарового тракта котла: нагретая в нем вода попадает в барабан, который, в собственной части которая находится снизу, объединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, расположенным у нижней кромки топочной камеры. Из данных коллекторов вода попадает в вертикальные трубки топочных экранов. Собственно здесь, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны выветривается не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает к потребителю или во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь проникает в опускные трубы циркуляционного контура.
Рис. 1. Схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе:
1 – горелки; 2 – топка; 3 – топочный экран; 4 – барабан; 5 – опускные трубы; 6 – фестон; 7 – пароперегреватель; 8 – конвективный газоход; 9 – экономайзер;10 – трубчатый воздухоподогреватель; 11 – находящиеся снизу коллектора топочных экранов
Подъемно-опускное движение по контуру конвективной циркуляции (т.е. по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствии разности плотностей воды в котле и пароводяной смеси.
Для увеличения надежности циркуляции на барабанных котлах очень высокого давления (17–18 МПа) используют понудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 2, б). Как видно из приведенных схем, котел с циркуляцией принудительного типа разнится от котла с конвективной циркуляцией (рис.2, а) наличием насоса для воды в котле. На этом же рисунке (2, в) показана схема прямоточного котла.
Рис. 2. Схема движения воды и пара перегретого:
а) барабанный котел с конвективной циркуляцией; б) барабанный котел с циркуляцией принудительного типа; в) прямоточный котел
1 – питательный насос; 2 – экономайзер; 3 – верхний барабан котла; 4 – опускные трубы; 5 – испарительные подъемные трубы; 6 – пароперегреватель; 7 – циркулярный насос; 8 – нижний коллектор
В прямоточных котлах, которые не имеют барабана, а контур разомкнут, превращение воды в пар происходит в один проход нагревателя, и кратность циркуляции равняется единице. В барабанных котлах данный показатель больше. В котлах с циркуляцией принудительного типа, у которых есть нагреватели в виде змеевиков, кратность циркуляции составляет в большинстве случаев от 3 до 10. В котлах с естественной конвекцией такой параметр в большинстве случаев составляет 10–50, а при небольшой тепловой нагрузке труб – 200–300.
Специфики и плюсы
Главным параметром, которым руководствуются при подборе марки парового котла с конвективной циркуляцией (ПКЕЦ), считается его паропроизводительность, измеряемая в т/ч или кг/ч. Большой ряд моделей ПКЕЦ дает возможность подобрать котлы с необходимой работоспособностью, начиная от нескольких килограммов до нескольких тонн пара в час. Важными показателями состояния пара перегретого считаются его давление и температура.
Широкий круг моделей ПКЕЦ позволяет генерить пар перегретый с лишним давлением от десятых долей до нескольких десятков атмосфер. ПКЕЦ как правило будут работать на самых разных видах органического топлива: природном газе, угле, дровах и деревянных отходах, а еще на топливе жидкого типа – сырой (стабилизированной) нефти, мазуте, дизельном топливе. Во многих случаях применяются особенные топочные устройства, разрешающие ПКЕЦ работать на нескольких видах топлива. Не считая классического использования для генерации инновационного пара, они широко применяются в самых разных областях: на ЖД и водном транспорте, в пищевой, легкой и добывающей промышленности.
Главные положительные качества ПКЕЦ – большая надежность, легкость эксплуатации, очень высокая степень автоматизации и экономности.
Создание условий надежности циркуляции в топочных экранах достигается ограничением рабочего давления котлоагрегата – как правило не выше 155 атм. Вызвано это тем, что при более большом давлении сильно уменьшается разница плотностей пара и воды, из-за чего не обеспечивается продуктивная циркуляция.
Современные ПКЕЦ производственники укомплектовывают микропроцессорной системой управления и защиты. К примеру, система «Альфа-М» производства фирмы «Энергетик» (Москва) дает возможность добиться простоты и удобства в обслуживании. Использование систем такого типа оптимизирует соотношение «топливо-воздух» при самых разнообразных расходах топлива, что благотворно проявляется и на эффективности производства энергии тепла.
Котлы данного типа могут использоваться в самых разных зонах климата, не просят непростых работ по наладке и пуску. Большим преимуществом не очень больших самых новых моделей ПКЕЦ считается их моноблочное выполнение. В подобной конструкции предусматривается миниатюрная установка на одной раме с агрегатом вентилятора, дымососа и питательного насоса. Комбинирование большой степени конструкторской проработки с точными системами управления и контроля дает возможность добиться в ПКЕЦ высоких значений КПД, которые могут превосходить 90 %.
В моноблочном выполнении котлы поставляются единым транспортабельным блоком – в готовом виде, в обмуровке и обшивке. Их монтаж относительно несложен. Компактность установки оборудования не мешает проведению текущего и аварийного ремонтов, а еще осуществлению профилактических процедур – все узлы и детали доступные для исследования.
ПКЕЦ на рынке России
На рынке России паровых котлов, а еще на всей территории СНГ чаще остальных можно повстречать промышленные котлы с конвективной циркуляцией, причем находится продукция как отечественных, так и заграничных изготовителей. Котлы, изготовленные в РФ, имеют в маркировке индекс «Е», отражающий принцип конвективной циркуляции носителя тепла в данных моделях. По стоимости они более выигрышны если сравнивать с заграничными подобиями.
Паровые котлы серии «Е», выпускаются ООО «ПТО» (Москва), – вертикально-водотрубные, с 2-мя барабанами, размещенными на одной вертикальной оси и объединенными между собой трубами диаметром 51 мм.
Котлы серии «Е» выпускаются в следующих типах, все зависит от применяемого топлива: Е 1,0-0,9 Г-З (Э) – для работы на природном газе, Е 1,0-0,9 М-З (Э) – для работы на мазуте, Е 1,0-0,9 Р-З (Э) – для работы на твёрдом топливе, Е 1,6-0,9 ГМН (Э) – для работы на газе или мазуте. Первая из групп цифр, следующая за индексом «Е», означает паропроизводительность (т/ч), вторая – давление пара в котле (МПа). Обозначение «Н» указывает на наличие в котле системы наддува.
Котлы серии «Е» предназначаются для изготовления сочного пара перегретого с рабочим давлением 8 атм. Этот пар потребляется разными фирмами промышленности, транспорта, а еще фирмами фермерского хозяйства для отопительных, инновационных, хозяйственных и домашних потребностей.
Рис. 3. Паровой котел с конвективной циркуляцией E-1,0 — 0,9 ГМ.
ГК «Комплексные системы» (Санкт-Петербург) рекомендует паровые котлы серии «КЕ» – со слоевыми механическими камерами сгорания работоспособностью от 2,5 до 10 т/ч. Данные котлы предназначаются для выработки сочного или перегретого пара перегретого, который находит использование для инновационных нужд предприятий промышленности, а также в системах обогрева, вентиляции и ГВС.
Серия «КЕ» делится на вариации «КЕ-С», снабженные слоевыми топочными устройствами, и вариации «КЕ-МТ», в которых есть камера сгорания предварительного скоростного горения.
Котлы серий «ДЕ» рекомендует промышленная группа «Генерация» (г. Березовский, Свердловская обл.). Они как правило будут работать на самых разных видах топлива (газ, мазут) и имеют продуктивность от 4 до 25 т/ч. Предназначаются для выработки сочного или слабоперегретого пара, применяемого для инновационных нужд фирм, а еще для отапливания, вентиляции и ГВС. Серия «МЕ» разнится от прошлой серии тем, что котлы данной серии имеют большую на 20 % поверхность нагрева и, поэтому, намного большой коэффициэнт полезного действия. Котлы той же серии рекомендует и компания «Теплоуниверсал» (Санкт-Петербург).
Из заграничных изготовителей можно именовать итальянскую фирму Garioni Naval, поставляющую на отечественный рынок промышленные модели марки GMT/HP 200–2000, паропроизводительностью от 0,3 до 3,5 т/ч. Характерная черта котлов данной серии – величина рабочего давления получаемого пара, которая может изменяться от 5 до 110 атм. Давление пара перегретого в указанном диапазоне отвечает температуре носителя тепла от 152 до 318 °С, что дает возможность использовать котлы данной серии в самых разных ветвях промышленности.
Паровые котлы большого давления с конвективной циркуляцией типа НРВ (фирма из Германии BBS GmbH) имеют паропроизводительность от 0,3 до 8 т/ч. Водотрубные котлы данной серии могут делать сочный пар с рабочим давлением до 120 атм. Тепловой носитель с этими параметрами в большинстве случаев применяется в химической, нефтехимической, пищевой, а еще косметической промышленностях.
Показаны также паровые котлы малого давления заграничного производства. Так, фирма Viessmann (Германия) создает котлы марки Vitoplex 100-LS работоспособностью 0,26–2,2 т/ч на жидком или газообразном топливе, с рабочим давлением в котле 7 атм.
Публикация размещена в журнале "Промышленные и отопительные котельные установки и мини-ТЭЦ" № 2(7)` 2011
Паровые котлы с конвективной циркуляцией
М. Иванов
В паровых котлах для превращения питательной воды в пар используются разные схемы циркуляции носителя тепла: природная, многократная понудительная и прямоточная. Самое большое распространение получили котлы с конвективной циркуляцией.
Подписаться на публикации можно на главной странице сайта.
Методика получения пара предусматривает очередность нескольких физических процессов. Все начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Данный процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис.1).
После экономайзера вода попадает в испарительные поверхности нагрева, которые располагают, в основном, в топочных камерах паровых котлов. Из названия данного компонента котла ясно, что тут происходит образование пара, который потом в некоторых котлах поступает в пароперегреватель. Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно, а вот парообразующие поверхности нагрева бывают разнообразными. Очень часто в котлах пароводяная смесь неоднократно идет через обогреваемые трубки топочных экранов за счёт конвективной циркуляции или в результате многократно-принудительной циркуляции (с применением особенного насоса). В котлах, которые называют прямоточными, пароводяная смесь идет через испарительные поверхности нагрева однократно, за счёт давления, создаваемого питательным насосом.
Подробно нужно остановиться на особенностях процесса получения пара в котлах с конвективной циркуляцией.
На рис. 1 приведена схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, сделанного по классической П-образной схеме. Питательная вода попадает в экономайзер, находящийся в конвективной шахте. Экономайзер считается первой частью водопарового тракта котла: нагретая в нем вода попадает в барабан, который, в собственной части которая находится снизу, объединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, расположенным у нижней кромки топочной камеры. Из данных коллекторов вода попадает в вертикальные трубки топочных экранов. Собственно здесь, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны выветривается не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает к потребителю или во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь проникает в опускные трубы циркуляционного контура.
Рис. 1. Схема барабанного котла с конвективной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе:
1 – горелки; 2 – топка; 3 – топочный экран; 4 – барабан; 5 – опускные трубы; 6 – фестон; 7 – пароперегреватель; 8 – конвективный газоход; 9 – экономайзер;10 – трубчатый воздухоподогреватель; 11 – находящиеся снизу коллектора топочных экранов
Подъемно-опускное движение по контуру конвективной циркуляции (т.е. по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствии разности плотностей воды в котле и пароводяной смеси.
Для увеличения надежности циркуляции на барабанных котлах очень высокого давления (17–18 МПа) используют понудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 2, б). Как видно из приведенных схем, котел с циркуляцией принудительного типа разнится от котла с конвективной циркуляцией (рис.2, а) наличием насоса для воды в котле. На этом же рисунке (2, в) показана схема прямоточного котла.
Рис. 2. Схема движения воды и пара перегретого:
а) барабанный котел с конвективной циркуляцией; б) барабанный котел с циркуляцией принудительного типа; в) прямоточный котел
1 – питательный насос; 2 – экономайзер; 3 – верхний барабан котла; 4 – опускные трубы; 5 – испарительные подъемные трубы; 6 – пароперегреватель; 7 – циркулярный насос; 8 – нижний коллектор
В прямоточных котлах, которые не имеют барабана, а контур разомкнут, превращение воды в пар происходит в один проход нагревателя, и кратность циркуляции равняется единице. В барабанных котлах данный показатель больше. В котлах с циркуляцией принудительного типа, у которых есть нагреватели в виде змеевиков, кратность циркуляции составляет в большинстве случаев от 3 до 10. В котлах с естественной конвекцией такой параметр в большинстве случаев составляет 10–50, а при небольшой тепловой нагрузке труб – 200–300.
Специфики и плюсы
Главным параметром, которым руководствуются при подборе марки парового котла с конвективной циркуляцией (ПКЕЦ), считается его паропроизводительность, измеряемая в т/ч или кг/ч. Большой ряд моделей ПКЕЦ дает возможность подобрать котлы с необходимой работоспособностью, начиная от нескольких килограммов до нескольких тонн пара в час. Важными показателями состояния пара перегретого считаются его давление и температура.
Широкий круг моделей ПКЕЦ позволяет генерить пар перегретый с лишним давлением от десятых долей до нескольких десятков атмосфер. ПКЕЦ как правило будут работать на самых разных видах органического топлива: природном газе, угле, дровах и деревянных отходах, а еще на топливе жидкого типа – сырой (стабилизированной) нефти, мазуте, дизельном топливе. Во многих случаях применяются особенные топочные устройства, разрешающие ПКЕЦ работать на нескольких видах топлива. Не считая классического использования для генерации инновационного пара, они широко применяются в самых разных областях: на ЖД и водном транспорте, в пищевой, легкой и добывающей промышленности.
Главные положительные качества ПКЕЦ – большая надежность, легкость эксплуатации, очень высокая степень автоматизации и экономности.
Создание условий надежности циркуляции в топочных экранах достигается ограничением рабочего давления котлоагрегата – как правило не выше 155 атм. Вызвано это тем, что при более большом давлении сильно уменьшается разница плотностей пара и воды, из-за чего не обеспечивается продуктивная циркуляция.
Современные ПКЕЦ производственники укомплектовывают микропроцессорной системой управления и защиты. К примеру, система «Альфа-М» производства фирмы «Энергетик» (Москва) дает возможность добиться простоты и удобства в обслуживании. Использование систем такого типа оптимизирует соотношение «топливо-воздух» при самых разнообразных расходах топлива, что благотворно проявляется и на эффективности производства энергии тепла.
Котлы данного типа могут использоваться в самых разных зонах климата, не просят непростых работ по наладке и пуску. Большим преимуществом не очень больших самых новых моделей ПКЕЦ считается их моноблочное выполнение. В подобной конструкции предусматривается миниатюрная установка на одной раме с агрегатом вентилятора, дымососа и питательного насоса. Комбинирование большой степени конструкторской проработки с точными системами управления и контроля дает возможность добиться в ПКЕЦ высоких значений КПД, которые могут превосходить 90 %.
В моноблочном выполнении котлы поставляются единым транспортабельным блоком – в готовом виде, в обмуровке и обшивке. Их монтаж относительно несложен. Компактность установки оборудования не мешает проведению текущего и аварийного ремонтов, а еще осуществлению профилактических процедур – все узлы и детали доступные для исследования.
ПКЕЦ на рынке России
На рынке России паровых котлов, а еще на всей территории СНГ чаще остальных можно повстречать промышленные котлы с конвективной циркуляцией, причем находится продукция как отечественных, так и заграничных изготовителей. Котлы, изготовленные в РФ, имеют в маркировке индекс «Е», отражающий принцип конвективной циркуляции носителя тепла в данных моделях. По стоимости они более выигрышны если сравнивать с заграничными подобиями.
Паровые котлы серии «Е», выпускаются ООО «ПТО» (Москва), – вертикально-водотрубные, с 2-мя барабанами, размещенными на одной вертикальной оси и объединенными между собой трубами диаметром 51 мм.
Котлы серии «Е» выпускаются в следующих типах, все зависит от применяемого топлива: Е 1,0-0,9 Г-З (Э) – для работы на природном газе, Е 1,0-0,9 М-З (Э) – для работы на мазуте, Е 1,0-0,9 Р-З (Э) – для работы на твёрдом топливе, Е 1,6-0,9 ГМН (Э) – для работы на газе или мазуте. Первая из групп цифр, следующая за индексом «Е», означает паропроизводительность (т/ч), вторая – давление пара в котле (МПа). Обозначение «Н» указывает на наличие в котле системы наддува.
Котлы серии «Е» предназначаются для изготовления сочного пара перегретого с рабочим давлением 8 атм. Этот пар потребляется разными фирмами промышленности, транспорта, а еще фирмами фермерского хозяйства для отопительных, инновационных, хозяйственных и домашних потребностей.
Рис. 3. Паровой котел с конвективной циркуляцией E-1,0 — 0,9 ГМ.
ГК «Комплексные системы» (Санкт-Петербург) рекомендует паровые котлы серии «КЕ» – со слоевыми механическими камерами сгорания работоспособностью от 2,5 до 10 т/ч. Данные котлы предназначаются для выработки сочного или перегретого пара перегретого, который находит использование для инновационных нужд предприятий промышленности, а также в системах обогрева, вентиляции и ГВС.
Серия «КЕ» делится на вариации «КЕ-С», снабженные слоевыми топочными устройствами, и вариации «КЕ-МТ», в которых есть камера сгорания предварительного скоростного горения.
Котлы серий «ДЕ» рекомендует промышленная группа «Генерация» (г. Березовский, Свердловская обл.). Они как правило будут работать на самых разных видах топлива (газ, мазут) и имеют продуктивность от 4 до 25 т/ч. Предназначаются для выработки сочного или слабоперегретого пара, применяемого для инновационных нужд фирм, а еще для отапливания, вентиляции и ГВС. Серия «МЕ» разнится от прошлой серии тем, что котлы данной серии имеют большую на 20 % поверхность нагрева и, поэтому, намного большой коэффициэнт полезного действия. Котлы той же серии рекомендует и компания «Теплоуниверсал» (Санкт-Петербург).
Из заграничных изготовителей можно именовать итальянскую фирму Garioni Naval, поставляющую на отечественный рынок промышленные модели марки GMT/HP 200–2000, паропроизводительностью от 0,3 до 3,5 т/ч. Характерная черта котлов данной серии – величина рабочего давления получаемого пара, которая может изменяться от 5 до 110 атм. Давление пара перегретого в указанном диапазоне отвечает температуре носителя тепла от 152 до 318 °С, что дает возможность использовать котлы данной серии в самых разных ветвях промышленности.
Паровые котлы большого давления с конвективной циркуляцией типа НРВ (фирма из Германии BBS GmbH) имеют паропроизводительность от 0,3 до 8 т/ч. Водотрубные котлы данной серии могут делать сочный пар с рабочим давлением до 120 атм. Тепловой носитель с этими параметрами в большинстве случаев применяется в химической, нефтехимической, пищевой, а еще косметической промышленностях.
Показаны также паровые котлы малого давления заграничного производства. Так, фирма Viessmann (Германия) создает котлы марки Vitoplex 100-LS работоспособностью 0,26–2,2 т/ч на жидком или газообразном топливе, с рабочим давлением в котле 7 атм.
Публикация размещена в журнале "Промышленные и отопительные котельные установки и мини-ТЭЦ" № 2(7)` 2011
