Ответы на вопросы по теплоэнергетике и теплотехнике

1. Классификация котельных установок. Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду вырабатываемого теплоносителя они делятся на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды). Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров. Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений. В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные разделяются на местные (индивидуальные), групповые и районные. Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115°С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплом одного или нескольких зданий. Групповые котельные установки обеспечивают теплом группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Такие котельные оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами, как правило, большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях. Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами. (Рабочий процесс в котельной протекает следующим образом. Топливо из топливного склада подается транспортером в бункер, откуда оно поступает на колосниковую решетку топки, где сгорает. В результате горения топлива образуются дымовые газы – горячие продукты сгорания. Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя, проходят через экономайзер и воздухоподогреватель, где они также охлаждаются вследствие передачи тепла воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа удаляются через дымовую трубу в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой. Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом в водяной экономайзер, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. Из верхнего барабана котла вода по трубам опускается в нижний барабан, откуда по левому пучку труб она снова поднимается в верхний барабан. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана. Затем пар поступает в пароперегреватель, где за счет тепла дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается. Из пароперегревателя пар поступает в главный паропровод и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную. Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке. Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором в воздухоподогреватель, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.) Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей. Компоновка котельной полуоткрытого типа: нижняя часть котлов (примерно до высоты 6 м) расположена в здании, а верхняя их часть — на открытом воздухе. Внутри котельной размещаются дутьевые вентиляторы, насосы, а также щит управления. На перекрытии котельной установлен деаэратор 6 для удаления воздуха из воды. Котельная установка с паровыми котлами имеет компоновку закрытого типа, когда все основное оборудование котельной размещено в здании. Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации. Водогрейная котельная имеет один теплоноситель — воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя — вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями—трубопроводами, газопроводами и др.

2. Принципиальная схема и принцип работы котельной установки.

Схема производственно отопительной паровой котельной Тепловая схема включает в себя паровой котел (1), вырабатывающий сухой насыщенный или перегретый пар. Перегрев может потребоваться для обеспечения подачи промышленному потребителю сухого насыщенного пара, если дальность такова, что за счёт тепловых потерь температура перегретого пара снизится на величину первоначального его перегрева. Пар после котла через редукционно-охладительную установку (13) поступает на элементы тепловой схемы и к потребителю (6) технологического пара. Давление пара вырабатываемого котлами выше давления пара отпускаемого промышленным потребителям и выше допустимого давления пара в корпусах подогревателей сетевой воды, поэтому в тепловую схему введена редукционно-охладительная установка. У промышленного потребителя от пара отбирается необходимое количество тепловой энергии, а образовавшийся конденсата частично возвращается в котельную и поступает в атмосферный деаэратор (9). Рис. 1. Принципиальная схема отопительно-производственной котельной с паровыми котлами для закрытой системы теплоснабжения: 1 – котел; 2 – расширитель (сепаратор) непрерывной продувки; 3 – питательный насос; 4 – подогреватель сырой воды; 5 – химводоочистка (ХВО); 6 – потребитель технологического пара; 7 – насос для подпитки тепловых сетей; 8 – подогреватель сетевой воды; 9 – атмосферный деаэратор; 10 – охладитель выпара из деаэратора; 11 – сетевой насос; 12 – регулирующий клапан; 13 – редукционный клапан; 14 – потребитель, использующий тепло на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; 15 – пароперегреватель Деаэратор служит для удаления из воды растворенных в ней газов, в первую очередь кислорода перед тем, как она поступит в паровой котел или на подпитку тепловой сети. В котельной имеют место потери (утечки) теплоносителя – пара и воды, имеют место утечки также в тепловых сетях и у промышленного потребителя пара. Для восполнения этих потерь используется техническая вода, которая в котельной сначала подогревается в поверхностном подогревателе (4) до температуры 25-30 0С, а затем направляется на химводоочистку (ХВО) (5). Химводоочистка служит для приготовления воды определённого качества по жесткости. Эта величина определена нормами качества питательной воды паровых котлов, установленных в котельной. Затем химочищенная вода подогревается в охладителе выпара деаэратора (10) и направляется в деаэратор (9), если нагрев не обеспечивается до температуры 85-90 0С, то дополнительно между охладителем выпара и деаэратором необходимо установить поверхностный пароводяной подогреватель. Система теплоснабжения котельной включает в себя: не менее двух сетевых подогревателя поверхностного типа (8), сетевые насосы (11) и подпиточные насосы (7). Нагретая в подогревателях (8) сетевая вода по подающему трубопроводу поступает к потребителю (14), использующему тепло на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. По обратному трубопроводу охлаждённая сетевая вода возвращается в котельную и поступает на всас сетевых насосов (11). Утечки сетевой воды в тепловой сети восполняются деаэрированной подпиточной водой с помощью подпиточных насосов (7). При работе паровых котлов концентрация солей в котловой воде не должна превышать определённой величины, гарантирующей требуемую чистоту пара при заданных параметрах работы теплогенерирующей установки. Для поддержания такой концентрации используется непрерывная продувка котла из верхнего барабана. Вода непрерывной продувки имеет высокий энергетический потенциал, так как её температура соответствует температуре насыщения при давлении в барабане котла. Поэтому в котельных обычно это тепло частично используется в тепловом цикле перед сбросом продувочной воды в канализацию. Непрерывная продувка парового котла направляется сначала в расширитель (сепаратор) непрерывной продувки (2). В сепараторе (2) поддерживается давление немного выше давления в атмосферном деаэраторе (9). При этом давлении часть продувочной воды вскипает, образуется вторичный пар, который направляется в деаэратор, а оставшаяся часть продувочной воды направляется в поверхностный подогреватель исходной технической воды, где охлаждается до температуры 400С и затем сбрасывается в канализацию. Атмосферный термический деаэратор (9) представляет собой подогреватель смешивающего типа. В нем поступающие в него потоки химически очищенной воды и возвратного конденсата нагреваются до температуры насыщения вторичным паром из сепаратора непрерывной продувки (2) и паром из паропровода после редукционно-охладительной установки поступающего в деаэратор через регулирующий клапан (12). При температуре насыщения растворимость газов в воде равна нулю, поэтому растворенные в ней газы выделяются из воды и удаляются из головки деаэратора через штуцер в охладитель выпара (10). Восполнение потерь пара и конденсата в котельной и у промышленного потребителя осуществляется деаэрированной в деаэраторе (9) водой, которая питательным насосом (3) подаётся в паровой котёл (1). Водогрейная котельная Назначение такой котельной – выработка тепловой энергии и подача горячей воды в тепловые сети на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей, присоединённых к этим тепловым сетям. Тепловая схема включает в себя водогрейные котлы, в которых осуществляется подогрев сетевой воды до заданной температуры. Рис.3. Принципиальная тепловая схема отопительной котельной с водогрейными котлами: — 1 – котел; — 2 – подогреватель химически очищенной воды после первой ступени очистки; — 3 – насос рециркуляции; — 4 – подогреватель сырой воды; — 5 – химводоочистка (ХВО); — 6 – перепуск холодной воды для поддержания постоянной температуры воды за котлом и снижения температуры воды, идущей в тепловые сети; — 7 – насос для подпитки тепловых сетей; — 8 – эжектор для создания вакуума в деаэраторе; — 9 – атмосферный деаэратор; — 10 – охладитель выпара из деаэратора; — 11 – сетевой насос; — 12 – бак технической воды; — 13 – насос к эжектору; — 14 – потребитель, использующий тепло на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения Основной отличительной особенностью водогрейных котлов от паровых является то, что в них не допускается образование пара, даже в виде пузырьков на внутренних поверхностях труб, подверженных большим тепловым нагрузкам. Непрерывная циркуляция воды в контуре от котельной через тепловые сети, системы потребления тепла и обратно в котельную обеспечивается сетевыми насосами (11). Следующей особенностью работы водогрейных котлов является то, что в хвостовые поверхности, выполненные из стальных труб, поступает вода с низкой температурой, которая может оказаться ниже температуры точки росы продуктов сгорания. Это обстоятельство приведёт к интенсивной низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева. При работе котлов на газе температура воды на входе в котлы на должна быть ниже 60 0С, при работе на малосернистом мазуте – не ниже 70 0С, а при работе на высокосернистом мазуте – не ниже 110 0С. Для поддержания необходимой температуры воды на входе в водогрейные котлы осуществляется рециркуляция нагретой в водогрейных котлах воды рециркуляционными насосами (3). Регулятор (6) служит для регулирования температуры воды на входе в тепловую сеть до соответствующей температурному графику. Для восполнения потерь в тепловой сети и в котельной при закрытой системе горячего водоснабжения используется техническая вода, которая поступая в котельную, подогревается в водоводяном подогревателе (4) и направляется на одноступенчатую химводоочистку. После умягчения воды, она подогревается деаэрированной водой в подогревателе (2), затем в охладителе выпара (10) деаэратора (9) и направляется в деаэратор. Так как котельная не производит пара, то в тепловой схеме котельной используется вакуумный деаэратор (9). Температура кипения воды является величиной сопряжённой давлению, при котором находится вода. Если давление воды снизить до 0,03 МПа, то при этом давлении воды будет кипеть при температуре 68,7 0С. Это условие используется в работе вакуумного деаэратора (9). Вакуум в деаэраторе создаётся эжекторной установкой (8), в которую из бака (12) рабочей жидкости насосом (13) подается вода. За счёт разрежения в эжекторной установки в деаэрационной головке деаэратора (9) создаётся и поддерживается неодходимое разрежение. Выпар деаэратора 9, содержащий водяные пары, проходит через охладитель выпара (10). В охладителе выпара водяные пары конденсируются, отдавая скрытую теплоту парообразования умягченной воде. Газообразная часть выпара сбрасывается в атмосферу, а образовавшийся конденсат направляется в бак технической воды.

3. Основные элементы котельной установки.

В паровых котельных установках рабочее тело (вода) меняет свое агрегатное состояние, переходя из жидкого состояния в парообразное; в водогрейных котельных установках изменения агрегатного состояния воды не происходит. Процесс получения водяного пара или подогретой воды осуществляется в котельном агрегате, состоящем из основных и вспомогательных элементов. К основным элементам котельного агрегата относятся: топочное устройство, котел, пароперегреватель (в паровом кртельном агрегате), водяной экономайзер и воздухоподогреватель (рис. 1). В топке (топочном устройстве) происходит процесс сгорания топлива, сопровождающийся выделением тепла. Это тепло воспринимается поверхностями нагрева котла для парообразования (в паровых котлах) или подогрева воды (в водогрейных котлах). В том случае, когда требуется перегретый пар, котел снабжают пароперегревателем, состоящим из трубчатых змеевиков, воспринимающих теплоту продуктов сгорания топлива; по этим змеевикам пропускается насыщенный пар из котла. Для обеспечения передачи тепла дымовых газов стенкам котла в последнем устраиваются газоходы, в них расположены поверхности нагрева котла, омываемые с одной стороны дымовыми газами, а с другой стороны — водой, заполняющей водяное пространство котла. В водогрейных котлах водяное пространство равно всему объему металлической части котла; в паровых котлах часть объема котла заполнена водей и составляет его водяное пространство, а другая часть заполнена паром и называется паровым пространством котла. Поверхность, разделяющая водяное пространство котла от парового, называется зеркалом испарения. Котлы, служащие для отопительно-производственных целей, могут быть подразделены на две категории: А) водогрейные котлы с температурой подогретой воды не свыше 115° С и паровые котлы с давлением пара не свыше 0,7 ага; Б) водогрейные котлы с температурой подогретой воды свыше 115° С и паровые котлы с давлением пара свыше 0,7 ати. Котлы первой категории считаются более безопасными, и поэтому к ним предъявляются иные конструктивные и технологические требования, чем к котлам второй категории. Дымовые газы, выходящие из топки, омывают поверхность нагрева котла, отдают ей часть заключенного в них тепла и по- Рис. 1. Схема котельного агрегата: У —топка; 2 — котел; 3 — пароперегреватель; 4 — дымоходы; 5 —водяной экономайзер; 6 — заслонка; 7 — боров; 8 — дымовая труба; 9 — питательный бак; 10 — добавочная вода; II — питательный насос; 12 — возврат конденсата; 13 — воздух; 14 — топливо; 15 — перегретый пар; 16 — насыщенный пар; 17 — горячая вода. Для дополнительного использования тепла, содержащегося в дымовых газах, уходящих из котла, за последним устанавливаются так называемые хвостовые поверхности нагрева: водяной экономайзер, в котором подогревается вода; идущая на питание котла, и воздушный подогреватель, в котором подогревается воздух, направляемый в топку для обеспечения его — рания топлива. В зависимости от местных условий хвостовые поверхности нагрева в котельном агрегате иногда не устанавливаются или устанавливается только одно из описанных устройств. Кроме перечисленного основного оборудования, котельный агрегат должен иметь вспомогательное оборудование, к которому относятся тяговое устройство, дутьевая установка, питательные или циркуляционные насосы, золоулавливающие устройства, трубопроводы, приборы контроля и автоматики. Тяговое устройство предназначается для создания разрежения в газоходах котельной установки, необходимого для удаления в атмосферу охлажденных дымовых газов и преодоления сопротивлений при их движении в газоходах установки. К тяговым устройствам принадлежат дымососы (искусственные тяговые устройства) и дымовая труба, которая является естественным тяговым устройством. Дутьевая установка состоит из вентиляторов и воздуховодов, служащих для подачи воздуха в топку котельного агрегата. Питательные насосы служат для подачи воды через водяной экономайзер в паровой котел. В котельной устанавливаются баки питательной зоды, в которые поступает конденсат пара, возвращаемый от потребляющей пар аппаратуры, и подводится добавочная вода. Питательный насос забирает воду из этих питательных баков и подает ее в паровой котел. Водогрейные котельные установки оборудуются циркуля ционными насосами. В таких установках трубопровод обратной воды отопительной системы присоединяется к циркуляционному насосу, который прокачивает воду через котел и затем по нагнетательному трубопроводу — в отопительную систему. Таким образом, котел включается в контур циркуляции воды через отопительную систему. Зюлоулавливающие устройства размещаются в газовом тракте котельной установки для очистки дымовых газов от летучей золы в целях уменьшения загрязнения окружающей территории золой в результате ее уноса через дымовую трубу. Котельная установка снабжается питательным трубопроводом, паропроводом, продувочным тру бопроводом и прочими трубопроводами служебного назначения. Для контроля и автоматического регулирования процессов, протекающих в котельной установке, служат приборы теплового контроля и автоматики. Для обеспечения котельных агрегатов топливом служит оборудование топливоподачи, предназначенное для перемещения топлива со склада в котельную и в пределах котельной — к от — дельным котельным агрегатам. Для уборки из котельной шлака и золы, накапливающихся в топках и газоходах котлов, применяется оборудование золоудаления. Важное значение в схеме котельной установки имеет водоподо готовка, которая осуществляет умягчение сырой добавочной воды, идущей, для питания котлов. Отопительно-производственные котлы в большинстве случаев снабжаются устройствами для внутрикотловой водообработки, улучшающими качество котловой воды, Для обеспечения надлежащих санитарно-гигиенических условий труда котельная установка оборудуется вентиляционными устройствами. Таким образом, котельная установка представляет собой сочетание разнообразного оборудования. Производительность этого оборудования во всех звеньях должна находиться в соответствии с теплопроизводительностью котельной. Оборудование котельной установки должно работать экономично, надежно и безаварийно, с наименьшей затратой ручного труда. Эти требования необходимо учитывать при разработке проекта котельной установки. При этом должны быть учтены достижения и опыт научно-исследовательских организаций, заводов-изготовителей оборудования и передовых эксплуатационных организаций. Развитие отопительно-производственных котельных установок в СССР направлено на всемерное повышение экономичности топливоиспользования, в частности при сжигании низкосортных топлив. Важность этой задачи становится бчевидной, если учесть, что каждый процент экономии топлива, расходуемого в Советском Союзе, означает сохранение нескольких сот тысяч тонн условного топлива в год. За годы довоенных пятилеток освоены экономичные способы сжигания более 60 сортов топлива, созданы новые советские конструкции ручных, полумеханических и механических топок для высокоэкономичного сжигания низкосортных топлив. Если раньше коэффициент полезного действия (к. п. д.) отопительно-производственной котельной установки при сжигании высокосортного топлива не превышал 50^-60%, то теперь такой к. п. д. считается низким, характеризующим несовершенство установки. Развитие котельных установок направлено по пути возможно более полной механизации трудоемких процессов по доставке и разгрузке топлива, обслуживанию топок, уборке золы и шлака и т. д. Созданы советские конструкции устройств для механизации этих процессов; эти устройства все более широко внедряются в отопительно-производственные котельные установки. Вместе с развитием в СССР газовой промышленности началось применение в отопительно-производственных котельных установках газообразного топлива; это значительно улучшает санитарно-технические условия местности, где расположена котельная установка, а также облегчает нормальные условия эксплуатации котлов. Для повышения культуры и экономичности эксплуатации современные котельные установки оснащаются контрольно-измерительными приборами и устройствами автоматики; в отопительно-производственных котельных установках эти приборы и устройства должны получить широкое применение.

10. Конструкции топочных экранов. Достоинства и недостатки.

Поверхностью нагрева парового котла называют те элементы, которые с одной стороны омываются горячими газами, а с другой стороны — водой, паром или смесью пара и воды. В практике эксплуатации и ремонта котельных агрегатов поверхностью нагрева условно считают также и элементы, входящие в контур трубной системы — барабаны, секции, камеры и устройства для их крепления, а также воздухоподогреватели. Парообразующие поверхности паровых котлов различных систем заметно отличаются друг от друга, но всегда они располагаются в основном в топочной камере и воспринимают тепло радиацией. В зависимости от вида сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают 40–50 % полного количества теплоты, отдаваемой рабочей среде в котле в целом, в поверхностях нагрева горизонтального газохода это тепловосприятие составляет 20–25 %, а на поверхности конвективной шахты приходится 30–40 % теплоты. Конструкции топочных экранов Топочные экраны находятся в зоне наиболее высоких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполнения для обеспечения надежной работы металла труб. По конструкции различают экраны гладкотрубные, в которых трубы расположены вдоль стен топки с небольшим зазором 4–6 мм и газоплотные, которые могут быть выполнены двух типов: либо из таких же гладких труб, с вваренными между ними проставками шириной 6–12 мм, либо с применением специальных плавниковых труб, сваренных между собой. Экраны из таких сварных между собой панелей образу монолитную цельносварную газоплотную конструкцию. Их называют мембранными. Для образования в топке зоны устойчивого воспламенения малореакционных топлив, требующих высокой температуры для их интенсивно горения, экраны всех типов на соответствующих участках покрывают огнеупорной массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах. Такие экраны называют футерованными экранами Гладкотрубные экраны применяют в паровых котлах всех систем, работающих под разрежением газового тракта. При естественной циркуляции в целях повышения надежности движения рабочей среды в трубах топочные экраны располагают почти исключительно вертикально и в отдельных случаях круто наклонно. Парообразующие поверхности нагрева прямоточных котлов и котлов с многократной принудительной циркуляцией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя топочные экраны вертикальными, горизонтальными и подъемно-опускными, поскольку здесь есть возможность организации движения пароводяной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравлических режимов. Плотность экранирования стен характеризуется отношением шага труб к диаметру и составляет σ = 1,07–1,1. Экранные трубы заднего экрана, в отличие от других экранов, должны пересечь газовое окно на выходе из топки в горизонтальный газоход. Для обеспечения достаточного прохода газов между трубами в зоне газового окна располагают разреженные отводящие трубы либо разводят трубы заднего экрана в 3–4 ряда (эта конструкция получила название фестон). Для повышения прочности и исключения вибрации при пульсирующем давлении в топке его укрепляют установкой поясов жесткости, которые жестко связаны с трубами экрана, охватывают по периметру всю топку через 3–4 м высоты и перемещаются вместе с трубами при тепловом расширении. Пояс жесткости обеспечивает поддержание заданного шага труб. Топочные экраны прямоточных котлов. В прямоточных котлах кратность циркуляции рабочей среды в экранах равна единице, в то время как при естественной циркуляции она составляет 10-20. Кроме того скорость рабочей среды при прямоточном принудительном движении примерно в 2 раза выше, чем в естественной циркуляции. Поэтому необходимое сечение для пропуска рабочей среды прямоточного котла в 20-40 раз меньше, чем в естественной циркуляции при той же паропроизводительности. Здесь весь поток рабочей среды проходит только через 2–4 параллельных секции, называемые лентами (панелями), состоящими из 40–50 труб и имеющими каждая ширину 2–3 м. Газоплотные сварные экраны они имеют на 10–15 % меньшую массу металла на единицу лучевоспринимающей поверхности по сравнению с гладкотрубными. Шаг труб здесь увеличен до σ = 1,4–1,45, так как между трубами ввариваются проставки шириной 14–16 мм, соответственно сокращается число труб, а суммарное сечение их подбирают по условиям обеспечения необходимой массовой скорости рабочей среды. Эти экраны находятся в лучших условиях работы, так как часть поглощенного плавниками (проставками) тепла передается тыльной стороне труб благодаря растечке, что превращает эту часть труб в активную поверхность нагрева. В таком экране исключен выход отдельных труб из плоскости экрана и ухудшение по этой причине их температурного режима. Для создания футерованного экрана приваривают к трубам контактной или дуговой сваркой шипы (прутки) диаметром 10 и высотой 15-25 мм. Шипы являются каркасом для крепления набивной массы из огнеупорного материала, отводящим от нее тепло к экранным трубам. Набивная масса в несколько раз уменьшает тепловосприятие экранов. Вместе с тем, теплопроводность должна быть достаточной для отвода воспринимаемого излучения и исключения перегрева футеровки, когда последняя начинает быстро разрушаться. Кратность циркуляции ( сколько раз пройти чтобы вода стала паром) для естеств – k=25 раз для принудительной k=4 Приведенная скорость воды ( скорость которую имела бы вода если бы она занимала все сечение трубы) (м/с) — массовое паросодержание — естественная циркуляция котла

11. Пароперегреватели. Конструкции и назначение. Место пароперегревателя в котле.

Пароперегреватель предназначен для перегрева поступающего в него насыщенного пара до заданной температуры его перегрева. Он является одним из наиболее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь достигает наибольших значений и металл перегревателя работает в условиях, близких к предельно допустимым. По виду тепловосприятия и конструкции различают пароперегреватели: – конвективные, располагаемые в конвективных газоходах котла и получающие теплоту, главным образом, конвекцией; – радиационные, размещаемые на стенах и потолке топочной камеры и горизонтального газохода и получающие теплоту, в основном, радиацией от высоконагретых газов; – полурадиационные, находящиеся в верхней части топки на входе в горизонтальный газоход и выполняемые в виде плоских ширм или лент, собранных из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом и одной плоскости. По назначению пароперегреватели делят на основные, в которых перегревается пар высокого или сверхкритического давления, и промежуточные для повторного (вторичного) перегрева пара, частично отработавшего в турбине. Конвективные пароперегреватели Обычно для пароперегревателей применяют гладкие трубы, они технологичны в производстве, мало подвержены наружным отложениям и легче от них освобождаются. Недостатком гладкотрубных поверхностей нагрева является невысокое тепловосприятие при умеренных скоростях газового потока. Из труб пароперегревателя образуют змеевики с радиусами гибов труб не менее 1,9 d. Концы змеевиков приваривают к коллекторам круглого сечения. Так образуются змеевиковые пакеты перегревателя. Расстояние между рядами змеевиков (вдоль коллектора) составляет 2–5 d. Различают змеевики одно–двух и многорядные. Они отличаются числом параллельных труб, образующих змеевик. Ширмовые пароперегреватели по конструкции представляют собой систему из большого числа вертикальных труб (14–50 штук), имеющих один гиб на 180 °С и образующих широкую плоскую ленту, которая имеет опускной и подъемный участки. Их размещают на выходе из топочной камеры на заметном удалении друг от друга для исключения возможности зашлакования газовых коридоров между ними. Газовый поток движется вдоль плоских ширм и передает теплоту трубам ширм радиационным и конвективным путями. Ширмовые пароперегреватели являются радиационно-конвективными поверхностями, их тепловосприятие складывается из значительной доли радиационного излучения от ядра факела и раскаленных газов в объеме между ширмами и доли конвективного теплообмена, Ширмовые перегреватели обычно получают 20–40 % всего тепловосприятия пароперегревателя. В последнее время ширмы стали выполнять не из гладких, а плавниковых труб, либо из гладких труб с вваренными между ними проставками, получаются так называемые цельносварные ширмы. Такие ширмы меньше шлакуются, легче очищаются от наружных загрязнений, трубы ширм не выходят из ранжира. Радиационные пароперегреватели выполняют настенными и обычно размещают в верхней части топки, где ниже тепловые потоки. Радиационный пароперегреватель барабанного парового котла обычно занимает потолок топки, а если этого недостаточно, то его размещают и на вертикальных ее стенах. Настенные перегреватели, выполненные в виде панели на всю высоту топки (вместо экранных испарительных труб), оказываются менее надежными, так как отвод тепла от металла к пару во много раз слабее, чем к кипящей воде. Особенно тяжелый режим имеет металл труб настенного перегревателя при сниженных нагрузках, когда расход пара в трубах заметно снижается. Радиационные панели перегревателя в зоне, закрытой топочными экранами, располагают поверх экранных труб в верхней части топки. В прямоточных паровых котлах радиационные поверхности пароперегревателя обычно полностью занимают верхнюю часть топки, потолок и стены горизонтального газохода. Поскольку тепловосприятие пароперегревателя при высоком и сверхкритическом давлении пара достаточно большое (35 % и более общего тепловосприятия поверхностей котла), его выполняют комбинированным, включающим все три вида (радиационный настенный, полурадиационный ширмовой и змеевиковый конвективный).

12. Экономайзеры. Конструкции и назначение. Место экономайзера в котле.

Рабочие процессы в экономайзере и воздухоподогревателе протекают различно. Однако по условиям тепловой работы экономайзер и воздухоподогреватель взаимно связаны. Эти поверхности используют тепло низкотемпературных продуктов сгорания, их размещают обычно последовательно в конвективной шахте. Общими задачами при конструировании этих поверхностей нагрева являются: интенсификация теплообмена и создание компактных малогабаритных элементов с умеренной затратой металла, которые бы подвергались минимальным золовому износу, заносу и коррозионным повреждениям. Водяные экономайзеры. Змеевиковые экономайзеры выполняются подобно пароперегревателям с горизонтальными змеевиками в конвективной шахте, их применяют при любом рабочем давлении. Для интенсификации теплообмена и уменьшен загрязнения змеевики экономайзера выполняют из стальных труб уменьшенного диаметра. В паровых котлах, работающих под разрежением, для обеспечения газовой плотности (исключения присоса воздуха в газоход через зазоры между трубами и обмуровкой) и уменьшения потерь теплоты входные и выходные коллекторы помещают в теплоизолирующие камеры Расположение труб экономайзера обычно шахматное, коридорное расположение по условиям теплообмена нецелесообразно. Движение воды в экономайзере делают восходящим, что обеспечивает свободный выход с водой выделяющихся при нагреве газов и образующегося в случае кипения воды в экономайзере пара. Массовая скорость воды в трубах экономайзера должна быть не менее 500–600 кг/(м2·с), а в кипящих частях экономайзера – 800–1000 кг/(м2·с). Для интенсификации теплопередачи с газовой стороны и повышения компактности пакетов увеличивают поверхность нагрева путем сварки гладких труб на прямых участках с помощью проставок из листовой стали толщиной 3–4 мм. Получаются пакеты так называемых мембранных экономайзеров. Мембранный экономайзер занимает меньший объем газохода и за счет тепловоспринимаюцей поверхности проставок расход гладких труб уменьшается на 25–30 % при одинаковом тепловосприятии обычного и мембранного экономайзеров. Конструкцию экономайзера характеризуют следующие показатели: – удельный объем, занимаемый экономайзером в конвективной шахте, VЭК/QП.К, м3/МВт – габаритная характеристика экономайзера; – удельный расход металла на экономайзер, GЭК/QП.К, кг/МВт – массовая (весовая) характеристика экономайзера. С уменьшением диаметра трубок указанные характеристики улучшаются, но предельный диаметр труб определяется технологией производства и ростом внутреннего гидравлического сопротивления при сохранении необходимой массовой скорости воды. В настоящее время минимальный технологически осуществимый наружный диаметр труб составляет 28 мм при толщине стенки 3 мм.

13. Воздухоподогреватели. Конструкции и назначение. Место воздухоподогревателя в котле.

Воздухоподогреватели. Во принципу действия различают рекуперативные и регенеративные воздухоподогреватели. Рекуперативные воздухоподогреватели работают с неподвижной поверхностью нагрева, через которую непрерывно передается тепло от продуктов сгорания к воздуху. В регенеративных воздухоподогревателях поверхность нагрева омывается попеременно то продуктами сгорания, нагреваясь при этом, то воздухом, отдавая ему тепло. Воздухоподогреватель работает в условиях, отличных от условий работы экономайзера и других элементов водопарового тракта. Здесь наименьшие температурные напоры между греющими продуктами сгорания и нагреваемым воздухом и самый низкий коэффициент теплопередачи. Поэтому его поверхность нагрева превышает суммарную поверхность нагрева всех элементов водопарового тракта и для котла мощного блока достигает десятков и сотен тысяч квадратных метров. Основным видом рекуперативных воздухоподогревателей является трубчатый воздухоподогреватель с вертикально расположенной трубной системой . Обычно внутри труб проходят продукты сгорания (продольное омывание), тепло которых передается воздуху, движущемуся между трубами (поперечное омывание). Для образования перекрестного тока воздуха трубную систему по высоте делят на несколько ходов промежуточными перегородками – досками, в местах поворота установлены воздушные перепускные короба. Основным типом регенеративного воздухоподогревателя электростанций является вращающийся регенеративный воздухоподогреватель, у которого поверхность теплообмена во вращающемся корпусе (роторе) попеременно находится в газовом потоке, нагреваясь от высокотемпературных газов, а затем поступает в холодный воздушный поток и греет воздух, отдавая ему избыточное тепло . В отличие от трубчатого воздухоподогревателя, регенеративный воздухоподогреватель располагают вне пределов конвективной шахты и соединяют его с котлом газо- и воздухопроводами. Поверхностью теплообмена служит плотная набивка из тонких гофрированных и плоских стальных листов, образующих каналы малого эквивалентного диаметра (8–9 мм) для прохода продуктов сгорания и воздуха. Набивка в виде секций заполняет цилиндрический пустотелый ротор, который по сечению разделен глухими радиальными перегородками на изолированные друг от друга секторы. Ротор воздухоподогревателя медленно вращается В итоге организуется непрерывный нагрев за счет теплоты, аккумулированной набивкой в газовом потоке. Взаимное движение потоков противоточное. Регенеративные воздухоподогреватели подучили широкое применение на крупных энергоблоках. Эти воздухоподогреватели конструктивно сложнее, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысокое аэродинамическое сопротивление, коррозия набивки поверхности нагрева не приводит к увеличению присосов воздуха. Предварительный подогрев воздуха до 70–100 °С перед его поступлением в воздухоподогреватель котла (трубчатый или регенеративный) обеспечивают в паровом калорифере, который выполняется в виде трубчатого теплообменника, внутри вертикальных труб движется слабоперегретый пар с температурой около 120 °С. Пар конденсируется на стенках труб и отдает теплоту конденсации потоку холодного воздуха, омывающему трубы снаружи перекрестным током. Для усиления теплообмена с воздухом трубы с воздушной стороны имеют оребрение (кольцевое или прутковое). По принципу работы паровой калорифер близок к трубчатому воздухоподогревателю, в котором теплоотдающая среда заменена конденсирующимся паром. Рис. 3.4. Современный вертикально-водотрубный барабанный паровой котел с естественной циркуляцией: ПВ — подача питательной воды; НП — линия насыщенного пара; ПП — отвод перегретого пара; Т — подача топлива к горелке; В — подвод воздуха к воздухоподогревателю; ГВ — горячий воздух; ПС — УГ — тракт продуктов сгораиия топлива и уходящих (из котла) газов; Ш — шлак; 1 — экранные трубы; 2 — барабан; 3 — пароперегреватель; 4 — водяной экономайзер; 5 — воздухоподогреватель; 6 — коллекторы; 7 — горелка; 8 — топка; 9 — контур (стена) топки и газоходов; 10 — опускная труба; 11 — излучающий теплоту топочный факел.

7. Тепловые потери в котельных установках. Уравнение теплового баланса.

Эффективность сжигания топлива в парогенераторе определяется следующими тремя основными факторами: 1. Полнотой сгорания шва в топочной камере.2. Глубиной охлаждения продуктов сгорания.3. Снижением потерь теплоты в окружающую среду. На рис. 1.1 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле. Материальный баланс процесса горения рассмотрен применительно к сжиганию твѐрдого топлива. В приходной части баланса процесса горения — количество топлива В, кг/с, и окислителя — воздуха Lв, кг/с, организованно поступающих в топку для сжигания, а также воздух, подсасываемый (при работе под разрежением) по тракту котла в топку— ∆L1, и балластный воздух ∆L2 и ∆L3 не участвующий в процессе горения топлива. В расходной части материального баланса в общем виде— газообразные продукты сгорания, покидающие котел, Lг, кг/с, и твѐрдые минеральные остатки — зола (шлак), выпадающие по тракту (Gзл1, Gзл2), улавливаемые в золоуловительной установке (Gзл3) и уносимые газообразными продуктами сгорания (Gзл4), кг/с. Gзл1 Gзл2 Gзл3 Рис. 1. Схема материальных балансов рабочих веществ в котле: 1 — топочная камера; 2 — испарительные поверхности нагрева; 3 — экономайзер; 4 — пароперегреватель; 5 — воздухоподогреватель; 6 — золоуловитель В общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид При работе на газовом топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твѐрдые минеральные составляющие. При работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха. БАЛАНС НАГРЕВАЕМОЙ СРЕДЫ Для удаления нелетучих примесей воды, вводимых с питательной водой, из котла предусматривается удаление — продувка некоторого количества воды с загрязняющими еѐ примесями. В связи с этим в приходную часть материального баланса входит поступающая в котел питательная вода количеством Dп.в, кг/с, а в расходную часть — количества полученного водяного пара D и продувки Dпр,кг/с, (2) Для случая дополнительной выдачи потребителю помимо перегретого еще и насыщенного пара уравнение материального баланса для нагреваемого рабочего вещества имеет вид: (3) где Dнас — производительность по дополнительно вырабатываемому насыщенному пару, кг/с Брутто КПД — парогенератора можно определить из (6), т.е. по методу обратного баланса. КПД котла брутто можно определить, зная сумму потерь тепла при его работе, пользуясь методом обратного баланса.Этот метод дает большую точность, чем метод определения КПД по прямому балансу. Потеря тепла с уходящими газами. (q) определяется следующим образом: , где I- энтальпия уходящих газов ; I- энтальпия холодного воздуха; а)- коэффициент избыточного воздуха в потоке уходящих газов; — коэффициент, учитывающий потери от механического недожога. Из формулы следует, что значение потерь определяется, прежде всего, I, т. е зависит от температуры этих газов и их объема, характеризуемого . Величина , где — коэффициент избытка воздуха в потоке продуктов сгорания на выходе из топочной камеры; — величина присосов воздуха. Котлы работают под некоторым разряжением, которое создается дымососами. Из-за этого через неплотности в ограждениях, а так же через смотровые люки и т.д. подсасывается из атмосферы некоторое количество воздуха, которое называют присосами воздуха. Его выражают в % к и обозначают . Общая величина не должна превышать 20 – 30%. Поэтому снижение присоса воздуха и улучшение качества горения (снижение ) приводит к уменьшению . Для снижения t используют дополнительные конвективные поверхности нагрева – воздухонагревателя и экономайзеры. Причем, чем полнее мы хотим использовать теплоту уходящих газов, тем больше должны быть размеры поверхности теплообменника. Снижение на 15 – 20 С приводит к уменьшению потерь, (то есть к росту КПД) на 1%. Но увеличение площади поверхности теплообменников повышает стоимость котла и эксплутационные расходы. Другой важный фактор, влияющий на выбор — это содержание серы в топливе. При низкой температуре газов возможна конденсация водяных паров на поверхностях нагрева. При взаимодействии с и образуется сернистая и серная кислота. В результате поверхность нагрева подвергается интенсивной коррозии. Практически не должна превышать 140 – 160С. б) Потеря с химическим недожогом топлива — это(q). Газы на выходе из топки могут содержать продукты неполного сгорания и др., теплота сгорания которых должна использоваться топке, суммарная теплота сгорания этих газов и составляет химический недожог. Причинами его могут быть:1. недостаток воздуха (1) 2. плохое перемешивание топлива с воздухом 3. слишком большой избыток воздуха. Недостаток воздуха приводит к тому, что часть горючих элементов не сгорает. Плохое перемешивание топлива с воздухом является причиной местного недостатка или избытка воздуха. Большой избыток воздуха вызывает снижение температуры горения, что уменьшает скорость реакции горения.: в) Потеря теплоты с механическим недожогом — . При сжигании твердых топлив механический недожог представляет собой коксовые частицы, которые успели выделить летучие вещества и частично обгорели. При камерном сжигании твердого топлива эти потери включают в себя потери с уносом и со шлаком . Потери с уносом определяются мелкими частицами, которые уносятся газовым потоком из топки в газоходы котла. Потери со шлаком определяются тем, что часть не полностью сгоревших частиц топлива попадает в шлак и удаляется из топки. Для каменных и бурых углей , для антрациты – 5%. Потери при сжигании мазута и газа не велики < 0,1%. г) Потери теплоты в окружающую среду — Q (). Эти потери определяются тем, что обмуровка котла и его элементов: барабана, трубопроводов, имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух. И поэтому отдают ему часть теплоты. Абсолютная величина можно определить по следующей формуле , где — площадь наружной поверхности обмуровки (стенки) котла t и t — температура стенки обмуровки и окружающего воздуха. и — коэффициенты теплоотдачи поверхностей излучением. Потеря будет тем больше, чем выше температура поверхности котла. Согласно ПТЭ поверхность котла должна иметь изоляцию, обеспечивающую температуру не выше 45-50С В приближенных расчетах пользуются средним значением теплового потока с поверхности обмуровки =200 – 300 . д) Потери с физической теплотой удаляемых шлаков Q (q). Эти потери характеризуется тем, что удаляемый из топки шлак, имея довольно высокую температуру, уносит определенное количество теплоты, которая передается в окружающую среду. Расчет относительных потерь в % проводится формуле:, где = 1- — доля шлака удаления в топочной камере — энтальпия шлака ; — зольность рабочей массы топлива При организации твердого шлакоудаления доля =0,0050,1%, а температура шлака 600 — 700 градусов. При относительно небольшой зольности топлива потери будут незначительны.