Расчет котлов и котельных установок

Барабанные котлы

Барабанные котлы широко применяют на ТЭС. Нали­чие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода в них, как правило, после эконо­майзера 1 (см. рис. 6, а) подается в барабан 2, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан и экраны). Смесь котловой и питательной воды по опускным необогреваемым тру­бам 3 из барабана поступает в нижние распределительные коллек­тора 4, а затем в экраны 5 (испарительные поверхности). В экранах вода получает теплоту Q от продуктов сгорания топлива и заки­пает. Образующаяся пароводяная смесь поднимается в барабан. Здесь происходит разделение пара и воды. Пар по трубам, соеди­ненным с верхней частью барабана, направляется в перегреватель 6, а вода снова в опускные трубы 3.

Объемы барабана, заполненные водой и паром, называют соот­ветственно водяным и паровым, а поверхность их разделяющую — зеркалом испарения. Уровень воды в барабане при работе котла колеблется между низшим и высшим. Низший уровень опреде­ляется надежным поступлением воды в опускные трубы, а выс­ший — исключением возможности попадания воды в паропере­греватель. Объем воды между этими уровнями позволяет бара­банному котлу некоторое время работать без подачи в него пита­тельной воды.

В экранах за один проход испаряется лишь часть (от 4 до. 25 %) поступающей в них воды. Тем самым обеспечивается доста­точно надежное охлаждение труб. Предотвратить накопление со­лей, осаждающихся при испарении воды на внутренней поверх­ности - труб, удается благодаря непрерывному удалению части котловой воды из котла. Поэтому для питания котла допускается использование воды с относительно большим содержанием рас­творенных в ней солей.

Замкнутую систему, состоящую из барабана, опускных труб, коллектора и испарительных поверхностей, по которой много­кратно движется рабочее тело, принято называть контуром цир­куляции, а движение воды в нем — циркуляцией. Движение ра­бочей среды, обусловленное только различием веса столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел — барабанным с есте­ственной циркуляцией. Естественная циркуляция возможна лишь 14

В котлах с давлением, не превышающем 18,5 МПа. При большем давлении из-за малой разности плотностей пароводяной смеси и воды устойчивое движение рабочей среды в циркуляционном кон­туре обеспечить трудно. Если движение среды в циркуляционном контуре создается насосом 8 (см. рис. 6, б), то циркуляция назы­вается принудительной, а паровой котел — барабанным с прину­дительной циркуляцией. Принудительная циркуляция позволяет выполнять экраны из труб меньшего диаметра как с подъемным, так и опускным движением среды в них. К недостаткам такой цир­куляции следует отнести необходимость установки специальных насосов (циркуляционных), которые имеют сложную конструк­цию, и дополнительный расход энергии на их работу.

Простейший барабанный котел, используемый для получения водяного пара, состоит из горизонтального барабана /, на 3/4 объема заполненного водой, и топки 2 под ним (рис. 7, а). Стенки барабана, обогреваемые снаружи продуктами горения топлива, играют роль теплообменной поверхности.

С ростом паропроизводительности резко возросли размеры и масса котла. Развитие котлов, направленное на увеличение по­верхности нагрева при сохранении водяного объема, шло по двум направлениям. Согласно первому направлению увеличение тепло- обменной поверхности достигалось благодаря размещению в вод­ном объеме барабана труб, обогреваемых изнутри продуктами сгорания. Так, появились жаротрубные (рис. 7, б), затем дымо­гарные и, наконец, комбинированные газотрубные котлы. В жарот трубных котлах в водном объеме барабана 1, параллельно его оси размещены одна или несколько жаровых труб 3, большого диа­метра (500—800 мм), в дымогарных — целый пучок труб 3 малого диаметра. В комбинированных газотрубных котлах (рис. 7, в) в на­чальной части жаровых труб расположена топка 2, а конвектив­ная поверхность выполнена из дымогарных труб 3. Производи­тельность этих котлов была невелика, ввиду ограниченных воз­можностей размещения жаровых и дымогарных труб в водяном объеме барабана 1. Их использовали в судовых установках, локо­мобилях и паровозах. В настоящее время их применяют для полу­чения пара на собственные нужды предприятия.

Второе направление в развитии котлов связано с заменой од­ного барабана несколькими, меньшего диаметра, заполненными водой и пароводяной смесью. Увеличение числа барабанов при­вело сначала к созданию батарейных котлов, а замена части бара­банов — трубами меньшего диаметра, расположенными в потоке дымовых газов, — к водотрубным котлам. Благодаря большим воз­можностям увеличения паропроизводительности это направление получило широкое развитие в энергетике. Первые водотрубные котлы имели наклоненные к горизонтали (под углом 10—15°). пучки труб 3, которые с помощью камер 4 присоединялись к од­ному или нескольким горизонтальным барабанам 1 (рис. 7, г). Котлы такой конструкции получили название горизонтально - водотрубных. Среди них особо следует выделить котлы талантли­вого русского конструктора В. Г. Шухова. Прогрессивная идея, связанная с разделением общих камер, барабанов и трубных пучков на однотипные группы (секции) одинаковой длины и тем же числом труб, заложенная в конструкцию, позволила осуществлять сборку котлов разной паропроизводительности из стандартных деталей. Но такие котлы не могли работать при переменных на­грузках.

Создание вертикально-водотрубных котлов —следующий этап развития котлов. Пучки труб 3, соединяющие верхние и нижние горизонтальные барабаны 1, стали располагать вертикально или под большим углом к горизонту (рис. 7, 5). Повысилась надеж­ность циркуляции рабочей среды, обеспечился доступ к концам труб и тем самым упростились процессы вальцовки и очистки труб. Совершенствование конструкции этих котлов, направленное на повышение надежности и эффективности их работы, привело к по­явлению современной конструкции котла (рис. 7, е): однобарабан - ного с нижним коллектором 5 небольшого диаметра; опускными трубами 6 и барабаном 1, вынесенными из зоны обогрева за обму­ровку котла; полным экранированием топки; конвективными пуч­ками труб с поперечным омыванием продуктами сгорания; пред­варительным подогревом воздуха 9, воды 8 и перегревом пара 7.

Конструктивная схема современного барабанного котла опре­деляется его мощностью и параметрами пара, видом сжигаемого топлива и характеристиками газовоздушного тракта. Так, с ро­стом давления меняется соотношение между площадями нагрева - 16

Рис. 9. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией Еп-640—13,8—540 ГМ

Тельных, испарительных и перегревательных поверхностей. Уве­личение давления рабочего тела от р =4 МПа до р =17 МПа приводит к уменьшению доли теплоты q, затраченной на испарение воды с 64 до 38,5 % (рис. 8). Доля теплоты, расходуемой на подо­грев воды, увеличивается при этом с 16,5 до 26,5 %, а на перегрев пара —с 19,5 до 35 %. Поэтому с повышением давления растут площади нагревательной и перегревательной поверхностей, а пло­щадь испарительной поверхности уменьшается.

На рис. 9 приведена схема барабанного котла с естественной циркуляцией Еп-640 — 13,8—540/S40 ГМ. Котел предназначен для получения пара при сжигании газа и работы в блоке с турбиной мощностью 200 МВт. Номинальная производительность 640 т/ч, рабочее давление пара на выходе из котла 13,8 МПа, температура свежего пара и пара промежуточного перегрева 540 °С. Котел включает топку 2, конвективную шахту 9 и горизонтальный газо­ход 6, соединяющий топку с конвективной шахтой. Топка призма­тической формы (в плане представляет прямоугольник 18,6 X X 7,35 м) экранирована трубами испарительной поверхности диа­метром 60x6 мм. Все экраны 3 с помощью тяг подвешены к метал­локонструкциям потолочного перекрытия и могут свободно рас­ширяться вниз. Для уменьшения влияния неравномерности обо­грева на циркуляцию экраны секционированы: трубы с коллек­торами выполнены в виде отдельных панелей, каждая из которых представляет собой отдельный циркуляционный контур.

Топка оборудована двенадцатью газомазутными горелками 1,

Установленными в два яруса на одной стенке. В ее верхней части расположен ширмовый перегреватель 4. В горизонтальном газо­ходе помещены два пакета конвективного перегревателя 5 высо­кого давления.

Потолок топки, горизонтального газохода и поворотной ка­меры экранированы трубами перегревателя 7 высокого давления.

В конвективной шахте размещены (последовательно по ходу газов) выходной 8 и входной 10 пакеты перегревателя низкого давления, первая (по ходу пара) ступень 11 перегревателя высо­кого давления и экономайзер 12. Два регенеративных воздухо­подогревателя (РВП) установлены вне здания котельной.