Котельные установки

ТИПЫ, ПАРАМЕТРЫ И ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОТЛОАГРЕГАТОВ

Все котельные агрегаты можно разделить на два основных вида: паровые и водогрейные.

Основные схемы промышленных паровых котлов, агрегатов и на­правления их развития показаны на рис. 6-1 а—г.

Применявшиеся для получения водяного пара в прошлом веке агрегаты имели про­стейшую форму шара и барабана (цилиндра). По мере увеличения производительности и рабочего давления простейшие формы парового котла были заменены более сложны­ми. В агрегатах появляются сначала трубы жаровые, а затем дымогарные (или их комбинация), увеличивающие поверхность нагрева. Так, появились жаротрубные котлы с одной и несколькими жаровыми трубами, выпускаемые до настоящего вре­мени (см. рис. 5а, б и [Л. 13]).

Дальнейшим этапом развития цилиндрических котлов являются размещение то­почной камеры в начальной части жаровой 1рубы или специально запроектированной для топочного устройства огневой коробке и выполнение конвективных поверхностей из дымогарных труб. По этому принципу сконструированы паровые судовые оборотные, локомобильные и паровозные котлы. Такого типа паровые котлы с горизонтальным ы вертикальным расположением жаровых и дымогарных труб выпускаются в настоящее время.

Другим направлением в развитии падювых котлов было деление обогреваемых ци­линдров, заполненных водой и пароводяной смесью, на более мелкие. Такое деление привело к созданию батарейных паровых котлов, состоящих из трех, шести н девяти цилиндров.

Уменьшение диаметра труб, обогреваемых снаружи дымовыми газами, привело к созданию так называемых водотрубных котлов. Водотрубные котлы первона­чально выполнялись из пучка труб, слабо наклоненных к горизонтали (на 10—15°) и объединяемых по концам камерами, которые присоединялись к одному или нескольким, расположенным горизонтально, барабанам. Для возможности очистки от накипи и за­мены трубы, крепящейся в камере развальцовкой, против каждого ее конца в стенке камеры устанавливается специальный лючок с крышкой. Такая конструкция позволила увеличить поверхность нагрева почти в 2 раза, поднять давление с 0,8—1,0 МПа до 1,5 (с 8—10 до 15 кгс-см2) и повысить удельный паросъем с 0,006 до 0,008—0,1 кг/« или 20 до 30—35 кг/(м2*ч) (рис. 5-1 а, б, в).

К камерным горизонтально-водогрубным котлам следует отне­сти и конструкцию В. Г. Шухова, который разделил общие камеры, барабаны и кипя­тильные трубы на группы. При этом длина и число труб в группе постоянны и объеди­нены двумя цилиндрическими камерами со съемными днищами. При объединении каме­ры с барабанами, также изготовленными из стандартных деталей, можно получить паровые котлы нескольких размеров.

Эта конструкция сыграла прогрессивную роль в развитии отечественного котло - строения и выпускалась нашей промышленностью до 40-х годов. Однако котлы Шухо­ва, так же как и другие водотрубные котлы с камерами, не могут быть быстро рас­топлены, не приспособлены к резким изменениям нагрузки, трудно очищаются от внешних загрязнений и требуют большого расхода металла и обмуровки на единицу производительности.

К горизонтально-водотрубным котлам относятся и агрегаты, у кото­рых вместо камер для объединения труб применены секции, предложенные фирмой Бабкок и Вилькокс.

Секции-камеры объединяют от пяти до одиннадцати труб и присоединяются к продольно или поперечно расположенному барабану с помощью труб (рис. 5-1в). Выполнение секций-камер волнообразными позволяет получить поверхности нагрева с шахматным расположением труб в пучке. Небольшие поперечные размеры секций, обычно 140X140 мм, позволяют изготовлять котлоагрегаты даже на высокое давление. Соединение прямых труб с камерами осуществляется на развальцовке, для чего против каждой трубы с наружным диаметром 83 или 102 мм имеется лючок овальной формы.

Вместо волнистых штампованных секций в СССР было предложено применить толстостенные круглые прямые трубы большого диаметра, в которые ввальцованы три вертикальных ряда кипятильных труб, слегка изогнутых при подходе к секции-камере, что уменьшило массу секции и число лючков на единицу поверхности.

Такие котлы выпускались на давление 2,2 и 3,5 МПа (22 и 35 кгс/см2), произво­дительностью от 5,6 до 56 кг/с (20 до 200 т/ч и с температурой перегретого пара до 425°С.

Недостатками секционных котлов являются значительные затраты металла на сек­ции— до 30—40% от массы поверхностей нагрева под давлением, сложность изготовле-

Примечание к рис.

4- 1 а. Г оризонтально-цилин-

Дрические котлы широко ис­пользуются до настоящего вре­мени в ряде отраслей народ­ного хозяйства. Так, например их применяют в виде газо­трубных котлов-утилизаторов в химической промышленности, в качестве источников тепло­ты в дорожном строительстве, в коммунально-бытовых пред­приятиях, сельском хозяйстве.

Примечание к рис.

3- 16. Вертикально-цилиндри - ческие котлы с дымогарными трубами или пучками труб, за­полненных водой и пароводя­ной смесью, также выпускаются для технологических и хозяйст­венных нужд промышленности, транспорта и сельского хо­зяйства.

Р

Ния волнистых секций, наличие большого количества лючков и неблагоприятные усло­вия циркуляции — расслоение и опрокидывание потока, снижающие надежность их работы.

К недостаткам всех камерных и секционных горизонтально-водотрубных котлов относятся сравнительно небольшие радиационные поверхности нагрева и трудность включения развитых экранов топочной камеры в контуры циркуляции котла. В настоя­щее время эти котлы не выпускаются.

Дальнейшая разработка надежных паровых котлов привела к созданию так на­зываемых вертикально-водотрубных котлов с непосредственным присо­единением кипятильных труб к барабанам (рис. 5-1г).

Одним из первых котл о агрегатов такого типа является котел Гарбе с прямыми кипятильными трубами, ввальцованными в штампованные уступами части клепаных обечаек двух или четырех нижних и верхних барабанов. Верхние барабаны соединя­лись между собой штуцерами и несколькими трубами большого диаметра для перете­кания воды и пара. Для улучшения циркуляции верхний и нижний барабаны соединя­лись между собой необогреваемыми трубами большого диаметра. Агрегаты изготовля­лись на давление до 1,7 МПа (17 кгс/см2), производительностью до 13,9 кг/с (50 т/ч) и с поверхностью нагрева до 1250 м2. Однако получить большую производительность при штампованных плитах и длинных швах у барабанов не удавалось. Также были ограничены давление, скорость растопки и изменение нагрузки, а обогрев опускных труб нарушал циркуляцию. Недостатки конструкции котлов Гарбе и появление докот- ловой обработки питательной воды привели к созданию крупных многобарабанных котлов с гнутыми кипятильными трубами.

Пятибарабанный котел Стерлинга имеет четыре пучка кипятильных труб, из ко­торых два последних служат для подогрева питательной воды, а в первых двух идет парообразование, что улучшало циркуляцию. Гнутые трубы небольшого диаметра со­единяют барабаны; при этом жесткость конструкции была снижена.

Однако и в этих котлах величина радиационных поверхностей нагрева была не­большой, а пучки труб имели продольное омывание потоком дымовых газов и невысо­кую удельную паропроизводительность.

В последующих конструкциях таких котлов отказались сначала от двух последних барабанов с пучками труб, перейдя к трем, а затем и к двум барабанам при одновре­менном максимально допустимом по условиям сжигания топлива развитии экранов. Вместо конвективных пучков из продольно обтекаемых труб были применены шахмат­ные змеевиковые из труб малого диаметра с поперечным омыванием, что позволило увеличить поверхность нагрева, давление пара и производительность котлоагрегата.

При средней и большей их производительности, а также при сжигании низкосорт­ных топлив для интенсификации и повышения устойчивости горения часто стали при­менять подогрев воздуха, что снизило температуру уходящих газов и повысило эконо­мичность работы котельного агрегата.

В итоге были созданы современные конструкции одно - и двухбарабан­ных паровых котлоагрегатов с повышенной экономичностью, для которых характерно наличие развитых экранных поверхностей нагрева в топочной камере, во­дяных экономайзеров из поперечно-омываемых труб и воздухоподогревателей.

Развитие конструкций водогрейных котлов шло по пути создания и усо­вершенствования чугунных котлов и разработки стальных водогрейных котлов. Разви­тая лучевоспринимающая и небольшая конвективная поверхности нагрева чугунных котлов при слоевом сжигании высокосортного твердого топлива позволяли расширить пределы регулирования производительности. Небольшие газовые и воздушные сопро­тивления котла и топки позволяли обходиться только естественной тягой и без венти­лятора.

Для использования низкосортных топлив была создана конструкция чугунных кот­лов шатрЬвого типа. Топочная камера этих котлов имела развитые лучевоспринимаю - щие поверхности, но их можно было расположить на значительном по высоте расстоя­нии от слоя, находящегося в неэкранированной части камеры с кирпичной обмуровкой.

Конвективные поверхности нагрева были образованы с помощью литых выступов, омываемых на большей части своей длины продольным потоком дымовых газов. Огне­упорная кладка в зоне горения топлива и увеличение конвективной поверхности нагре­ва создают возможность сжигания различных видов топлива.

Эти котлы выпускаются отечественными заводами до настоящего времени, имеют удовлетворительные технико-экономические показатели.

Большая потребность в водогрейных котлах для сжигания низкосортных видов топлива в 40-х годах привела к созданию стальных водогрейных котлов конструкции Ревокатова и в 50-х годах — конструкции Рамзина.

Конструкция котлов Ревокатова в основном повторяла принципы, заложенные в чугунные водогрейные котлы шатрового типа: секционность, дающую при встречной установке секций сплошное экранирование, небольшую конвективную поверхность на­грева из труб большого диаметра, омываемую в основном продольным потоком дымо-

Вых газов, движущихся в подъемном и опускном газоходах. Это предопределяло невы­сокие технико-экономические показатели работы котлов. Однако простота конструкции, возможность изготовления на месте и сжигания различных сортов топлива привели к их широкому распространению.

Водогрейный котел Рамзина состоит из конвективного пакета змеевиков-труб ма­лого диаметра (38X3 мм), вваренных в коллекторы нижние и верхние. С верхним коллектором змеевиков соединены такие же трубы потолочного экрана слоевой топки, которые идут от конвективного газохода к фронту, где расположен выходной коллек­тор котла. Продукты сгорания топлива, поднимаясь, омывают трубы потолочного экра­на, входят в конвективный пучок, опускаются и уходят в боров. Теплопроизводитель - ность котлов Рамзина не превышала 0,35 МВт (0,3 Гкал/ч).

Наряду с созданием небольших стальных водогрейных котлов продолжаются по­пытки приспособления паровых котлов различной конструкции для работы ё водогрей­ном режиме.

Таблица 5-1

Развитие в СССР теплофикации потребовало разработки специальных стальных водогрейных котлов очень большой теплопроизводительности. Такие котлы предложены М. А. Стыриковичем для установки на ТЭЦ и работы в пиковом режиме в течение примерно 1000 ч в год. Для установки на ТЭЦ эти котлы должны быть просты, деше­вы и не требовать высокой квалификации обслуживающего персонала.

Первые конструкции стальных водогрейных котлов башенного типа были разрабо­таны совместно ВТИ и Оргэнергостроем, а котлы П-образного типа — ЦЭМ. Затем был разработан типаж на такие котлоагрегаты (см. табл. 5-1а), Дорогобужский завод со­вместно с ЦКТИ и другими организациями разработал конструкцию и вьшускает для всех видов топлива новую серию стальных водогрейных котлов (§ 6-2).

Для современных паровых и водогрейных котлов приняты следую­щие показатели, приведенные в табл. 5-1а.

Т а б лица 5-1а

Стальные водогрейные котлы

По теплопроизводительности или паропроизводи - тельности промышленные котельные агрегаты принято подразделять на несколько групп: малой, средней и большой производительности.

К первой группе обычно относят агрегаты с теплопроизводитель - еостью, равной или ниже 4,6—7,6 МВт (4—6,5 Гкал/ч) или до 2,78 кг/с (10 т/ч); к средней — от 11 до 58 МВт (от 10 до 50 Гкал/ч) или от 4,45 до 20,85 кг/с (от 16 до 75 т/ч) и большой — свыше 58 МВт (50 Гкал/ч) и 20,85 кг/с (75 т/ч).

В котельных чаще всего используют котлоагрегаты первых двух групп; котлы последней группы устанавливают на ТЭЦ.

Указанное деление является условным, поскольку ориентируется на сложившееся положение. Увеличение мощности котельных вызывает рост производительности котлоагрегатов. Так, например, кроме котель­ных агрегатов на давление 1,4 МПа производительностью 20,85 кг/с (50 т/ч), проектируются агрегаты на 27,8 кг/с (100 т/ч) и более.

Паровые котлы по параметрам — давлению и конечной тем­пера ту ре — в соответствии с действующими ГОСТ и Правилами Гос­гортехнадзора СССР для получения насыщенного пара изготовляются из различных сталей, кроме водяного экономайзера и воздухоподогре­вателя, которые могут быть чугунными. Паровые котлы для получения насыщенного пара при £п. в—50°С могут быть с естественной и принуди­тельной циркуляцией и с производительностью от 0,07 до 0,278 кг/с (от 0,25 до 1,0 т/ч) на давление 0,9 МПа (9 кгс/см2).

На такие же параметры изготовляются котлы с принудительной циркуляцией с D=0,045 кг/с (0,16 т/ч).

В производственных котельных установках встречаются котлоагре­гаты на давление 4,0 МПа (40 кгс/см2), пар которых используется как для производственных нужд, так и для выработки электроэнергии. Для этих котлоагрегатов приняты температуры перегретого пара в 440°С и питательной воды— 145°С.

Кроме перечисленных паровых котлоагрегатов, в небольших уста­новках применяются котлы с давлением пара не свыше 0,17 МПа (1,7 кгс/см2), которые вырабатывают насыщенный пар. Эти котлы изго­товляются из чугунных или стальных труб и могут иметь различную температуру питательной воды.

Водогрейные котлы в зависимости от конечной температуры нагре­ваемой воды изготовляются из чугуна или углеродистых стальных труб, в соответствии с чем их подразделяют на чугунные и стальные.

Водогрейные котлы подразделяют и по конечной температуре во­ды— с подогревом до 115 и до 200РС. Чугунные котлы изготовляются на статическое давление до 0,6 МПа (6 кгс/см2), стальные водогрейные — на давление за котлом в 1,6 и 2,5 МПа (16 и 25 кгс/см2).

Чугунные водогрейные котлы по теплопроизводительности могут быть от 0,0023 до 1,4 МВт (от 0,008 до 1,215 Гкал/ч), так как они соби­раются из секций разного типа и для различных топлив.

Стальные котельные агрегаты для высококипящего органического теплоносителя (ВОТ) имеют теплопроизводительность 0,58; 1,16; 2,3 и

4,6 МВт (0,5; 1,0; 2,0 и 4,0 Гкал/ч) при давлении паров ВОТ до 0,8 МПа (8 кгс/см2), чему соответствует их температура 375°С.

Электрические водогрейные котлы изготовляются теплопроизводи - тельностью до 1,16 МВт (1 Гкал/ч).