Паровые котлы

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 м и 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. 3.6). 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. 3.6. 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 с цилиндрическими стальными барабанами (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Однобарабанный водотрубный паровой котёл

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. 3.8). 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. 3.8. 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 конденсационных 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.

На крупных 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.