Устройство стальных водотрубных котлов работающих в водогрейном режиме

Обновлено: 28.03.2024

Котлы типа ПТВМ. Водогрейные котлы средней и большей теплопроизводительпости типа ПТВМ предна­значены для работы на газообразном и жидком топливе. Котлы типа ПТВМ выпускались Дорогобужским котель­ным заводом (ДКЗ) и другими котлостроительными за­водами и имеют П-образную и башенную компоновки.

Водогрейные газомазутные котлы КВ-ГМ-30-150 (ПТВМ-ЗОМ), предназначенные для установки в отопи­тельных котельных в качестве основного источника во­доснабжения для подогрева воды с 70 до 150 °С, выпол­нены по П-образной схеме, и выпуск их продолжается на Дорогобужском котельном заводе (рис. 1.8).

Котлы — прямоточные с П-образной сомкнутой компоновкой поверхностей нагрева. Конвективные поверхности нагрева располо­жены в конвективном газоходе с боковыми стенками, экранирован­ными трубами 0 28x3 мм с шагом 128 мм, которые являются кол­лекторами для П-образных ширм, выполненных из труб 0 28x3 мм. Ширмы установлены таким образом, что трубы образуют конвек­тивный шахматный пучок с шагом 64 и 40 мм. Задняя стенка кон­вективного газохода экранирована трубами 0 60x3 мм с шагом 64 мм.

Топка котлов полностью экранирована трубами 0 60x3 мм и оборудована шестью газомазутными горелками, установленными встречно на боковых стенках.

Диапазон регулирования нагрузки котлов 30—100 % номиналь­ной теплопроизводительности. Изменение теплопроизводительностц

Водогрейные котлы

Рис. 1.8. Водогрейный котел КВ-ГМ-30-150М (ПТВМ-ЗОМ)

Котлов осуществляется изменением числа работающих горелок. Расход воды через котел поддерживается постоянным, при измене1 нии тепловой нагрузки изменяется разность температур воды на входе и выходе из котла.

При работе на мазуте котлы по воде включаются по прямоточ­ной схеме (подвод воды осуществляется в поверхности нагрева топочной камеры, а отвод —из конвективных поверхностей нагрева);, при работе только на газообразном топливе включение котлов по воде выполнено по противоточной схеме (подвод воды — в конвек­тивные поверхности нагрева, а отвод воды — из поверхностей на­грева топочной камеры). На рис. 1.9 приведена циркуляционная схема движения воды в котле КВ-ГМ-30-150М (ПТВМ-ЗОМ).

Трубная система котлов опирается на каркасную раму. Обму­ровка котлов выполнена облегченной с креплением непосредственно к экранирующим трубам. Общая толщина обмуровки составляет 110 мм.

Котлы, работающие на мазуте, оборудованы устройствами дро - бевой очистки труб конвективных поверхностей нагрева и рассчи­таны для работы с уравновешенной тягой. Котлы выпущены трех модификаций: ПТВМ-ЗОМ-2 (топливо—природный газ); ПТВМ-30М-4 (топливо — природный газ и мазут); ПТВМ-ЗОМС (топливо — при­родный газ и мазут).

В настоящее время котлы сняты с производства.

Таблица 1.7. Техническая характеристика водогрейных котлов

Ность, I'к а л/ч (МВт) Давление, МПа (кгс/см2)

Температура воды, СС: на входе: в пиковом режиме в основном режиме на выходе

В пиковом режиме в основном режиме

КПД котла (брутто) при работе, %: на газе на мазуте Компоновка котла Количество газомазут­ных горелок, шт. Количество дутьевых вентиляторов и дымосо­сов, шт.

91,1 87,9 П-образная 6

2 вентилятора и 1 дымосос

Габаритные размеры, мм: длина ширина высота

5160 5180 13 500

6900 5180 J4 450

Техническая характеристика водогрейных котлов ти­па ПТВМ приведена в табл. 1.7.

Котел ПТВМ-50 имеет башенную компоновку и вы­полнен в виде прямоугольной шахты, в нижней части ко­торой находится полностью экранированная топочная ка­мера (рис. 1.10).

Экранная поверхность площадью 116 м2 выполнена из труб 0 60x3 мм с шагом 64 мм и состоит из двух боковых, фронтового и заднего экранов. Сверху (под топочной камерой) размещается конвективная поверхность нагрева котла площадью 1119 м2. Эта поверхность образована трубами 0 28x3 мм и выполнена в виде

Водогрейные котлы

Змеевиковых пакетов. Топка котла оборудована 12 газомазутными горелками и 12 индивидуальными дутьевыми вентиляторами.

Обмуровка котла выполнена натрубной, облегченного типа. Вся трубная часть котла подвешивается на раме каркаса.

Водогрейные котлы

Рис. 1.11. Схема движения воды в водогрейном котле ПТВМ-50:

А — основной режим; б— пиковый режим; 1 — коллекторы подводящие и от­водящие; 2 — соединительные трубы; 3 — фронтовой экран; 4 — конвективный пучок; S и 6 — левый и правый боковые экраны; 7—задний экран; в —кол­лекторы контуров

Вода в котле циркулирует с помощью насоса, расход воды за­висит от режима работы котла: при работе в зимний период приме­няется четырехходовая схема циркуляции воды (рис. 1.11, а), а в летний период — двухходовая (рис. 1.11,6).

При четырехходовой схеме циркуляции вода из теплосети под­водится в один нижний коллектор и последовательно проходит че­рез все элементы поверхности нагрева котла, после чего также через нижний коллектор отводится в тепловую сеть.

При двухходовой схеме вода поступает одновременно в два нижних коллектора и, перемещаясь по поверхности нагрева (как показано стрелками), нагревается и затем направляется в тепловую сеть.

Двухходовая схема циркуляции позволяет пропускать через ко­тел почти в два раза больше воды.

Это объясняется тем, что при этом режиме работы котла нагре­вается большее количество воды (чем в зимний период), вода по­ступает в котел с более высокой температурой, равной 110 °С (вме­сто 70 °С).

Котлы ПТВМ-50 применяются в районных отопительных котель­ных.

Водогрейные котлы ПТВ-50-1 и ПТВМ-100 имеют компоновку с прямоугольной топочной камерой. Все четыре стенки топочной камеры экранированы трубами 0 60x3 мм с шагом 64 мм. Змееви­ки конвективных пусков выполнены из труб 0 28X3 мм и распола­гаются в верхней части топочной камеры. Трубы змеевиков приваре­ны к вертикальным коллекторам.

Котел ПТВМ-50-1 оборудован 12 горелками, расположенными на боковых стенках, и 12 дутьевыми вентиляторами с индивидуаль­ными электроприводами, котел ПТВМ-100—16 горелками и 16 вентиляторами.

Котлы типа КВ-ГМ. Новая серия унифицированных водогрейных котлов для работы на жидком, газообраз­ном и твердом топливе (типа КВ-ГМ — котел водогрей­ный газомазутный и типа КВ-ТС — котел водогрейный со слоевым сжиганием твердого топлива) разработана НПО ЦКТИ совместно с Дорогобужским котельным за­водом. Котлы различаются лишь глубиной топочной ка­меры и конвективной шахты.

Котел КВ-ГМ-180-150 теплопроизводительностью 180 Гкал/ч (рис. 1.12) предназначен для получения го­рячей воды с температурой до 150 °С для использования в системах отопления, вентиляции и горячего водоснаб­жения объектов промышленного и бытового назначения и для установки на ТЭЦ в качестве пиково-резервного источника теплоснабжения в районах с сейсмичностью до 9 баллов включительно. Котел используется как в ос­новном режиме, так и в пиковом, т. е. для подогрева се­тевой воды от 70 до 150 °С и от 110 до 150JC. Котел должен работать с постоянным расходом воды (рис. 1.13).

Котел водотрубный, прямоточный с Т-образной сомкнутой ком­поновкой поверхностей нагрева. Вертикальная призматическая топка экранирована трубами 0 60X4 мм с шагом 64 мм.

Конвективные газоходы примыкают к боковым стенкам топки. Разделительные стенки между газоходами и топкой газоплотные. Потолок топки и боковые стенки конвективных газоходов выполне­ны из труб 0 38X4 мм с шагом 42 мм.

Топка котла оборудована шестью вихревыми газомазутными горелками с паромеханическими форсунками, расположенными встречно треугольником с вершиной вверху на боковых стенках.

Водогрейные котлы

Для уменьшения образования окислов азота применена рецир­куляция дымовых газов из конвективного газохода в воздушный тракт перед горелками.

Котел допускает работу с изменением нагрузки в пределах 30—100 % номинальной теплопроизводительности.

Пакеты конвективных поверхностей нагрева размещены в двух опускных вертикальных экранированных газоходах. Пакеты наби-

Водогрейные котлы

Рис. 1.13. Схема движения воды в водогрейном котле КВ-ГМ-180-150:

А — основной режим; б— пиковый режим; / — задний экран; 2— полусекция конвективных поверхностей, задняя левая панель и стояки; 3 — полусекция конвективных поверхностей, задняя правая панель и стояки; 4 — промежуточ­ный левый экран; 5 — боковой и потолочные, экраны (левые); 6—-промежу­точный правый экран; 7— боковой и потолочный экраны (правые); 8 — фрон­товой экран; 9 — полусекция конвективных поверхностей, фронтовая левая па­нель и стояки; 10 — полусекция конвективных поверхностей, фронтовая пра­вая панель и стояки; //-—камеры 0 720X12 мм

Раются из П-образных ширм, выполненных из труб 0 32X3 мм. Трубы пакетов образуют шахматный пучок с шагом 68 и 42 мм. Боковые стены конвективного газохода закрыты трубами 0 96X5 мм с шагом 136 мм, которые являются одновременно коллекторами для ширм конвективных пакетов.

При работе на мазуте котел должен включаться по прямоточ­ной схеме (подвод воды осуществляется в поверхности нагрева топочной камеры, а отвод — из конвективных поверхностей нагрева), при работе только на газообразном топливе включение котла по воде выполняется по противоточной схеме (подвод воды — в поверх­ности нагрева конвективных газоходов, а отвод воды — из поверх­ности нагрева топочной камеры).

Изоляция котла облегченная, натрубная, толщиной 110 мм и может выполняться методом напыления. Газонлотность стен котла обеспечивается обшивкой металлическим листом толщиной 3 мм. Нагрузки котла передаются через подвески на верхнюю раму несу­щего каркаса. Котел рассчитан на работу с уравновешенной тягой. Для удаления наружных отложений с труб пакетов конвективных

Водотрубный котёл конструкции принцип работы

Водотрубный котёл: конструкции и принцип работы

Водотрубный котёл – разновидность котельного оборудования, характерная применением технологии нагрева воды с проходом внутри металлических труб, в то время как внешняя сторона труб нагревается продуктами сгорания топлива. Таким технологическим признаком конструкции водотрубных котлов отличаются от жаротрубных (дымогарных) проектных вариантов, где принцип нагрева построен прямо противоположно — горячий газ проходит сквозь трубы, погруженные в воду.

Водотрубный котёл общая характеристика

Преимущественные стороны водотрубного котла очевидны. По этой причине подобные типы котлов чаще других используются на тепловых электростанциях большой мощности. Конструкция оборудования позволяет увеличить поверхность нагрева за счет использования большего количества водопроводных труб.

Конвекционный поток таких систем способствует ускорению движения воды в большей степени, чем этот эффект проявляется у жаротрубных сооружений. Соответственно, коэффициент передачи тепла водотрубных котлов более высокий, что сопровождается не менее высоким значением эффективности этого вида котельного оборудования.

Исполнение конструкции позволяет плавно наращивать давление внутри водотрубного котла до значений, равных 150-160 кг/см 2 . Выход пара на подобных сооружениях может достигать 500 кг/с. При этом доступно получить верхнюю границу температуры пара на выходе из водотрубного котла, равную 550ºС.

Водотрубный котёл конструкция

Классическое исполнение парового оборудования, работающего по принципу термосифона. Подобные системы часто встречаются в составе проектов котельных разного назначения

По габаритным размерам водотрубные котлы успешно конкурируют с дымогарным (жаротрубным) оборудованием. Небольшие по габаритам водотрубные паровые котлы традиционно собраны как единое целое оборудование, помещённое внутрь прочного корпуса. Но крупные котельные установки обычно изготавливаются секционными модулями, которые собираются в единый модуль непосредственно на месте установки системы.

Водотрубный паровой котёл – принцип работы

Упрощённым технологическим действием можно охарактеризовать принцип работы водотрубного котла. Для большей наглядности процесса логично составить общую схему оборудования этого типа.

Схема содержит всего две основных детали:

  1. Верхний сосуд, именуемый паровым барабаном.
  2. Нижний сосуд, именуемый грязевым барабаном.

Оба сосуда — верхний и нижний, соединяются через две трубы.

Большая часть водотрубных паровых котлов работают по принципу естественной циркуляции воды (эффект термосифона). Картинка ниже помогает объяснить принцип действия:

Схема водотрубного котла

Схема принципа термосифона: 1 — лучистая энергия; 2 — вход питательной воды; 3 — сливной стакан; 4 — нижний барабан; 5 — труба подъёма; 6 — верхний барабан; 7 — выбор пара

Холодная питательная вода вводится внутрь паровой ёмкости ( 2 ), разделённой перегородкой. Поскольку холодная жидкость имеет высокую плотность по отношению к нагретой жидкости, питательная вода опускается через «сливной стакан» ( 3 ) в область нижнего («грязевого») сосуда ( 4 ).

Этим холодным потоком, более теплая вода с меньшей плотностью, вытесняется в область фронтальных (передних) труб ( 5 ) водотрубного котла. За счёт нагрева в передних трубах образуются пузырьки пара. Пузырьковая масса естественным образом отделяется от воды и скапливаются под сводом верхнего сосуда ( 6 ).

Между тем, по мере увеличения давления внутри водотрубного котла, разница плотности воды и насыщенного пара снижается. Следовательно, уменьшается скорость циркуляции. Поэтому для поддержания стабильного уровня выхода пара, при условии более высоких расчетных давлений, расстояние между нижним и верхним сосудами увеличивают. Либо в схему вводятся средства принудительной циркуляции (циркуляционный насос).

Секции водотрубных котлов

Энергия источника тепла для конструкций водотрубных котлов может извлекаться как радиант, конвекция, кондукция. Один из распространённых применяемых источников энергии — печь (лучистая секция).

Лучистая секция водотрубного котла

Схема лучистой секции: 1 — открытое пламя; 2 — тепловой поток; 3 — трубы с водой металлические; 4 — изоляционный материал; 5 — элементы оребрения

Конструктивно такой источник видится модулем, где генерируется пламя горелки или нескольких горелок. При этом пламя непосредственно не контактирует с трубами водотрубного котла, так как прямой контакт грозит серьезной эрозией и повреждением трубного металла.

Стены лучистой секции, как правило, обвешены оребрёнными трубами — мембранными панелями. Эти мембранные панели предназначены для поглощения лучистого тепла, исходящего от пламени горелки.

Предназначение конвекционной секции – поглощение водой тепла горячих газов путем поточного проведения и эффекта конвекции. Большие по размерам котлы могут иметь несколько трубных модулей (подвесок), включенных последовательно.

Таким способом извлекают максимум энергии горячих газов. Согласно расчётам, эффективность использования тепла горелок (печей) достигает 90% в большинстве случаев применения.

Альтернативные схемы водотрубных котлов

Базовым элементом любой рассматриваемой конструкции бойлера считается барабан продольного размещения, действующий по принципу термосифона.

Схема с продольно размещённым барабаном

Типичные значения мощности для котлов с продольно размещённым барабаном составляют 2250 — 36000 кг/ч.

Схема котла с продольным размещением барабана

Схема продольного размещения: 1 — область пара; 2 — область воды; 3 — выбор пара; 4 — вход питательной воды; 5, 6 — путь хода лучистой энергии; 7 — коллектор трубный

Холодная питательная вода подается в барабан ( 4 ), размещённый в продольном направлении относительно источника тепла. Более холодная вода собирается в нижней области ( 7 ) циркуляционного трубного коллектора, расположенного под наклоном.

По мере того, как температура воды в трубах коллектора увеличивается за счёт нагрева от источника тепла, плотность жидкости уменьшается. Уменьшение плотности приводит к эффекту циркуляции.

Парожидкостная смесь устремляется к верхней части коллектора и далее поступает в барабан с противоположной стороны( 2 ). Внутри барабана пузырьки пара отделяются от воды и собираются под сводом сосуда ( 1 ), откуда пар выбирается через задвижку ( 3 ).

Водотрубный котёл с барабаном поперёк

Конструкция с поперечным (перекрёстным) барабаном напоминает вариант продольной установки сосуда. Здесь также характерной чертой является размещение барабана, который установлен уже поперечно к источнику тепла. Диапазон мощностей для котлов с поперечным барабаном: 700 — 240000 кг/ч.

Схема водотрубного котла с поперечным барабаном

Схема с поперечным размещением: 1, 2 — путь лучистой энергии; 3 — источник нагрева; 4 — барабан; 5 — выбор пара; 6 — вход для питательной воды; 7 — коллектор трубный наклонный

Так называемый перекрестный барабан работает по тому же принципу, что и продольный барабан, за некоторым исключением. При такой схеме достигается более равномерная температура внутри области сосуда.

Однако имеется и высокий риск повреждения по причине нарушения циркуляции в условиях высоких нагрузок при производстве пара. Если верхние трубы остаются без жидкости, есть высокая вероятность их деформации и разрушения.

Энергетический котёл Стирлинга

Ещё одной разработкой водотрубного котла является энергетический котёл, использующий принцип Стирлинга.

Фактически здесь пять же действует принцип зависимости температуры и плотности воды. Правда, конструкция содержит четыре барабана, устроенных по следующей схеме.

Водотрубный котёл Стирлинга

Схема котла Стирлинга: 1 — верхние пароводяные ёмкости; 2 — нижний водяной сосуд; 3 — выбор пара; 4 — вход питательной воды; 5, 6 — путь лучистой энергии; 7 — трубный коллектор

Холодная питательная вода поступает в правый верхний барабан ( 4 ). За счёт большей плотности, питательная вода стекает в нижний барабан ( 2 ). Связь нижнего барабана и трёх верхних сосудов образована соединительными трубами.

Нагреваясь в нижнем сосуде и соединительных трубах, вода частично кипит с образованием пузырьков пара. Жидкостно-паровая смесь поднимаются по трубам к верхним сосудам ( 1 ), где происходит полное разделение жидкости и пара.

Водотрубный котёл Стирлинга позволяет использовать большую площадь поверхности теплообмена. Оборудование также отличается высокой способностью образования естественной циркуляции воды в процессе действия.

Преимущества и недостатки водотрубных конструкций

Из преимуществ можно отметить относительно небольшую потребность по массе питательной воды. Поэтому водотрубным котлам присущи свойства быстрой реакции на изменение нагрузки и ввода тепла.

Конструкции могут содержать множество горелок, установленных на любой стороне, что открывает варианты для организации горизонтального или вертикального обжига. Также контроль температуры допустимо организовать в различных частях системы.

Схема водотрубного котла с перегревом пара

Схема котла с перегревом пара: 1 — источник лучистой энергии; 2 — циркуляционный насос; 3 — сосуд; 4 — вход питательной воды; 5 — экономайзер; 6 — перегреватель; 7 — выход пара; 8 — испаритель

Организация температурного контроля особенно важна, когда водотрубный котёл имеет встроенную систему перегрева пара. В этом случае появляется необходимость контролировать температуру перегретого пара с высокой точностью по времени.

По недостаткам рассмотренных котлов отмечаются сложности их изготовления в компактном виде. Возможность использования нескольких горелок в котле обеспечивает гибкость регулировки нагрева. Однако массовое применение горелок требует сложных систем управления.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СТАЛЬНЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Устройство, имеющее топку для сжигания органического топлива, обогреваемое продуктами сгора­ния, предназначенное для получения горячей воды с давлением выше атмосферного, называют водо­грейным котлом (теплогенератором). Горячая вода от водогрейных котлов - теплогенераторов идет на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий и со­оружений. Для унификации водогрейных котлов утверждена следующая шкала теплопроизводительно - сти в Гкал/ч: 4; 6,5; 10; 20; 30; 50; 100; 180.

В производственно-отопительных котельных с паровыми котлами для получения горячей воды ис­пользуется пар как промежуточный теплоноситель, что требует установки сетевых пароводяных подог­ревателей. Водогрейные котельные агрегаты осуществляют непосредственный подогрев сетевой воды, благодаря чему капитальные затраты на водогрейные котельные агрегаты и вспомогательное оборудо­вание ниже, чем при использовании паровых котельных агрегатов, а тепловые схемы проще. Однако при отсутствии пара усложняется процесс подогрева мазута, требуется вакуумная деаэрация воды и др.

Водогрейный котел состоит из топочного и конвективного блоков, и может иметь горизонтальную, П-образную или башенную компоновку. Топочный блок - это топка в виде параллелепипеда, полно­стью экранированная трубами, которые установлены на боковых экранах вертикально, а на подовом (внизу) и потолочном - горизонтально или с наклоном. Все эти экранные трубы приварены обычно к нижним и верхним коллекторам большего диаметра.

Конвективный блок устанавливается в шахте, где температура топочных газов ниже, чем в топке. Конвективная шахта состоит из экранов с нижними и верхними коллекторами, к которым приварены вертикальные стояки, а в эти стояки вварены горизонтально расположенные U-образные трубы диамет­ром 28 мм. Экраны топки и конвективной шахты всех водогрейных котлов выполняются с подъемным и опускным движением воды. Надежность работы всех труб котла обеспечивается при скорости воды в подъемных трубах - 0,6.1 м/с, а в опускных - 1.1,6 м/с. Многоходовое движение воды по экрану дос­тигается установкой заглушек и перегородок в коллекторах.

Правильный подбор скоростей воды обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление всего контура водогрейного котла, которое составляет 1,5.2 кгс/см2. Гидродинамический режим рабо­ты должен исключить снижение давления и расхода воды, проходящей через водогрейный котельный агрегат, ниже допустимого. Кипение воды в водогрейном котле недопустимо, так как это приводит к гидравлическим ударам, нарушению опускного движения, созданию замкнутых циркуляционных кон­туров, отложению накипи и пережогу отдельных труб. В соответствии с этим трубная часть водогрей­ных котлов до 20 Гкал/ч рассчитывается на давление 16 кгс/см2, а котлов 30 Гкал/ч и выше - 25 кгс/см2. Исключено и повышение давления выше допустимого во избежание разрыва труб.

Температура воды на выходе из экранов должна быть ниже температуры насыщения (кипения при соответствующем давлении) на 20.30 °С, что достигается выбором соответственного давления воды на выходе из водогрейного котла. Для стальных водогрейных котлов 20 Гкал/ч и ниже температура воды на выходе принимается до 150 °С, а для котлов 30 Гкал/ч и выше допускается повышение температуры воды до 200 °С. Котлы производительностью 4.20 Гкал/ч должны обеспечивать работу только в ос­новном режиме, а котлы 30 Гкал/ч и выше допускают работу как в основном, так и в пиковом режимах.

Во избежание низкотемпературной коррозии минимальная температура воды на входе в стальной водогрейный котел должна быть не ниже 70 °С при работе на газе и не ниже 90 и 110 °С при работе со­ответственно на сернистом и высокосернистом мазутах. Это достигается путем рециркуляции - подачи расчетного количества уже подогретой в котельном агрегате воды на ввод обратной сетевой воды водо­грейного котла с помощью рециркуляционных насосов.

После подогрева в котельном агрегате вода разделяется на три потока: в теплосеть, на рециркуля­цию, на собственные нужды котельной.

Для определения расхода воды, проходящей через котел, расчетов гидродинамических режимов и других характеристик вспомогательного оборудования водогрейные котельные агрегаты рассчитывают­ся на пять режимов [14, 16] для следующих температур наружного воздуха:

• максимально-зимнего - при температуре наружного воздуха в наиболее холодную пятидневку;

• наиболее холодного месяца - при температуре наружного воздуха в холодном месяце;

• при средней температуре за отопительный период;

• в точке излома температурного графика и летнего.

По расчетным температурам заданного города [16] выстраивается температурный график. При рас­четной температуре наружного воздуха для максимально-зимнего режима температура воды в подаю­щем и обратном трубопроводах принимается максимальной - 150 и 70 °С.

При температуре наружного воздуха, отличной от расчетной, температура воды в подающем трубо­проводе регулируется путем перепуска части воды из обратного трубопровода в подающий по подме­шивающей перемычке, на которой установлен регулятор температуры.

Зная расход воды через котельные агрегаты, установленные в котельной, определяются единичная теплопроизводительность водогрейного котла и расход воды через каждый агрегат.

На водогрейных котлах установлена автоматика регулирования и автоматика безопасности (блоки­ровки), которая прекращает подачу топлива в топку в следующих случаях [11]:

• при снижении давления воды ниже допустимого (так как при этом вода закипит);

• при повышении давления выше допустимого (во избежание разрыва труб на прочность);

• при снижении расхода воды через водогрейный котел ниже допустимого (так как это приведет к закипанию воды);

• при повышении температуры воды на выходе из котла до значения на 20 °С ниже температуры насыщения, соответствующей рабочему давлению воды в выходном коллекторе котла;

• при снижении давления газа или мазута перед горелками ниже допустимого и др.

На всех водогрейных котлах устанавливается следующая арматура:

• на входе воды в котел: запорная задвижка, манометр (с трехходовым краном), термометр;

• на выходе воды из котла: запорная задвижка, обратный клапан, манометр (с трехходовым кра­ном), термометры (показывающий и регистрирующий), два предохранительных клапана, расходомер воды.

Кроме того, в верхней части котла и перепускных трубах устанавливаются воздушные вентили для выпуска воздуха при заполнении котла в режиме пуска, а в нижней части котла и нижних коллекторах - спускные вентили для выпуска воды при остановке и ремонте котла.

Гарнитура: взрывной предохранительный клапан на топке и конвективной шахте, люки, гляделки и пр. в соответствующих местах.

Основные технические характеристики, профили стальных водогрейных котлов КВ-ГМ, ПТВМ, БЭМ и других приведены в справочной литературе [3, 6, 8, 12, 19, 20, 32, 33], а также в приложении.

ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ. КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРЫ Обзор конструкций и параметров водогрейных котлов

Водогрейные котлы предназначены для получения горячей воды и по характеру циркуляции воды (независимо от конструкции) являются прямоточными, то есть с однократным движением воды по отдельным его элементам. В этом их сходство с паровыми прямоточными котлами. Водогрейные котлы характеризуются в основном теплопроизводительностью, а также температурой нагрева воды и её давлением.

Выпускают чугунные и стальные водогрейные котлы.

Чугунные водогрейные котлы имеют небольшую теплопроизводительность (до 1,3 МВт) и применяются в системах водяного отопления отдельных жилых и общественных зданий. Они предназначены для нагрева воды до температуры 115 °С при рабочем давлении р 0,7 МПа. Чугунные котлы можно также использовать в качестве паровых с избыточным давлением пара р 0,06 МПа (ГОСТ 21563-93), при этом их оборудуют паросборниками.

Чугунные водогрейные котлы (рисунок 1) собирают из отдельных секций 1, соединяемых между собой с помощью вкладышей-ниппелей, которые вставляют в специальные отверстия 2 и затягивают стяжными болтами 3. Такая конструкция позволяет подбирать требуемую поверхность нагрева котла, а также производить замену отдельных секций в случае их повреждения.

ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ. КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРЫ Обзор конструкций и параметров водогрейных котлов

Рисунок 1 – Схема соединения секций чугунного котла

Чугунные котлы в отличие от стальных дольше противостоят коррозии за счет большой толщины стенки поверхностей нагрева, имеют небольшие габариты и могут компоноваться как с внутренними, так и с выносными топками. В котлах с внутренними топками топочные устройства размещают внутри поверхности нагрева (между секциями). Эти котлы предназначены для сжигания высокосортного топлива (каменных углей и антрацита). В котлах с выносными топками топочные устройства располагают вне поверхности нагрева, что позволяет достаточно эффективно сжигать низкосортные виды топлива с выходом летучих (торф, древесные отходы). При необходимости в чугунных котлах (при соответствующей небольшой переделке топки) можно сжигать газообразное и жидкое топливо; при этом несколько изменяются теплопроизводительность и КПД котла [1].

Существует большое разнообразие конструкций чугунных котлов в зависимости от формы, размера, числа и расположения секций. По конструктивному оформлению котлы можно разбить на две группы: малометражные с очень малой теплопроизводительностью, предназначенные для поквартирного отопления, и котлы шатрового типа более мощные, устанавливаемые во встроенных и отдельно стоящих котельных.

К Малометражным относятся котлы ВНИИсто-Мч, КЧММ-2 и КЧМ-2.

Чугунные котлы шатрового типа Предназначены для теплоснабжения зданий и сооружений различного назначения. Вода в них нагревается до температуры 115 °С при давлении p≤0,7 МПа. Чугунные котлы в зависимости от вида сжигаемого топлива и степени механизации топочного процесса разделяются на три группы:

1) котлы с ручными топками для сжигания антрацита, каменных и бурых углей;

2) котлы с механическими и полумеханическими топками для каменных и бурых углей;

3) автоматизированные котлы для газообразного и жидкого топлива.

Стальные водогрейные котлы применяют в системах централизованного теплоснабжения. Их устанавливают в крупных квартальных и районных котельных, а также на ТЭЦ в качестве «пиковых». Теплопроиз-водительность стальных водогрейных котлов значительно выше, чем чугунных (до 209 МВт). Стальные водогрейные котлы теплопроизводительностью до 23 МВт используют для нагрева воды от 70 до 150 °С при давлении её на входе в котёл 1,6 МПа. Котлы теплопроизводительностью 35 МВт и выше предназначены для нагрева воды до 200 °С при максимальном давлении её на входе в котёл около 2,5 МПа.

Водогрейные котлы типа КВ-ТС, КВ-ГМ, КВ-ТСВ теплопроизводительностью до 35 МВт (30 Гкал/ч) работают под давлением воды до 2,5 МПа (25 кгс/см ), нагреваемой до 150 °С, и предназначены для покрытия теплофикационных нагрузок (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) промышленных и бытовых потребителей, а также удовлетворения нужд технологических процессов.

Котлы КВ-ТС-10, КВ-ТС-20, КВ-ТС-30, КВ-ТСВ-10, КВ-ТСВ-20,
КВ-ТСВ-30 представляют единую унифицированную серию горизонтальных водотрубных прямоточных котлов с принудительной циркуляцией, и отличаются глубиной топочной камеры и конвективной шахты. Котлы типа КВ-ТСВ комплектуются воздухоподогревателем.

Расчётным топливом для котлов типа КВ-ТС принят каменный уголь теплотворной способностью 22500 кДж/кг (5380 ккал/кг), для котлов типа КВ-ТСВ – бурый уголь теплотой сгорания 15900 кДж/кг (3700 ккал/кг). Вид и характеристика используемого топлива предопределяют необходимость применения подогрева воздуха, обязательного при работе котла на бурых углях с влажностью 25-40 %. Применение подогрева воздуха при работе котлов на каменных углях теплотворной способностью 25100 кДж/кг (6000 ккал/кг) и влажностью менее 25 % не рекомендуется из-за возможного пережога колосников.

Унифицированная серия горизонтальных, водотрубных, прямоточных котлов КВ-ГМ-10, КВ-ГМ-20 и КВ-ГМ-30 с принудительной циркуляцией спроектирована для работы на мазуте и природном газе. За исходные характеристики приняты:

- мазут М100. Состав рабочей массы: Сp= 83,0 %; Нp= 10,4 %; Оp+Np= 0,7 %; Sp= 2,8 %; Аp= 0,1 %; Wp= 3,0 %; Q = 38600 кДж/кг
(9240 ккал/кг);

- природный газ. Объемный состав: СН4= 89,9 %; С2Н6= 3,1 %; С Н = 0,9 %; С4Н10= 0,4 %; О2= 0,2 %; СО2= 0,3 %; Q = 36100 кДж/кг (8620 ккал/кг); Wp= 5,2 %.

Все котлы – для твёрдого, жидкого и газообразного топлива - сконструированы для поставки потребителю транспортабельными блоками с максимальной степенью заводской готовности. Горизонтальная топочная камера и вертикальный конвективный пучок разделены на два поставочных блока. Котлы типа КВ-ТСВ дополнительно включают один или несколько блоков воздухоподогревателя.

Поставочные блоки имеют рамы и другие устройства, обеспечивающие надёжную строповку при погрузо-разгрузочных работах и при монтаже с использованием грузоподъёмных механизмов. Маркировка блоков выполняется в соответствии со схемой разбивки котлов на поставочные блоки. Характеристика блоков приведена в таблице 1.

Водотрубный котел: устройство, принцип работы в промышленной энергетике


Котельное водогрейное оборудование широко распространено в промышленности, где ценится высокая производительность генераторных установок. Такие агрегаты в основном применяют для технологических операций – например, для выработки пара за счет испарения воды. Но не исключается и возможность бытовой эксплуатации, если нужно организовать ГВС на несколько крупных потребителей. В числе наиболее оптимизированных парогенераторных конструкций можно отметить водотрубную. Котел такого типа не уступает многим аналогам по объемам выпуска за единицу времени, но его устройство обуславливает множество ограничений по эксплуатации в тесных условиях.

Устройство агрегата

Водотрубный котел

Наиболее распространена конструкция с двумя барабанами (коллекторами) в основе. Это металлические резервуары, которые соединяются между собой трубами разных диаметров. Также обязательным компонентом является камера сгорания или топка, генерирующая тепловую энергию. К остальным элементам конструкции относятся:

Большинство элементов конструкции водотрубного котла изготавливается из жаростойкого стального сплава. Встречаются и чугунные модели, но их можно использовать, если условия эксплуатации допускают установку тяжеловесных агрегатов. Трубчатые и фурнитурные элементы частично могут выполняться и на основе огнестойкой керамики, которая практичнее металла. Окно топки и ряд других зон возможного наблюдения изготавливают из жаростойкого стекла, прошедшего закалку.

Вспомогательные элементы конструкции

Регулирующая арматура водотрубного котла

Опционально в состав котла могут входить и дополнительные устройства, расширяющие возможности и удобство применения оборудования. В их числе можно отметить следующие приспособления:

  • Пароперегреватель. Предназначен для наращивания температуры пара до 100 °C и выше. Сама по себе конструкция водотрубных агрегатов не ставит целью доведение температурного режима пара до определенных величин. Как правило, целевой точкой работы является именно эффект испарения. В свою очередь, конвекционные пароперегреватели в зависимости от модели способны доводить температуру выходной смеси до 500 °C, что может потребоваться в некоторых технологических операциях на производствах.
  • Влагоотделитель. Тоже средство для подготовки пара, которое делает его сухим, выводя излишнюю влагу.
  • Паровой аккумулятор. Если водотрубный котел не справляется с нагрузками или, напротив, в минимальных объемах заполняет паровую камеру, сбалансировать рабочий режим поможет данное устройство. Аккумулятор отбирает или нагнетает паровые потоки в систему, когда это необходимо.
  • Устройство для водоподготовки. Вода, как источник генерации, тоже нуждается в соответствующей обработке. Например, специальная система фильтров понижает объем растворенного кислорода, удаляет соли и нежелательные химические реагенты.
  • Сегодня все реже обходится без автоматических средств управления, но они же поставляются в базовой комплектации с оборудованием. Можно лишь приобрести расширенный комплект контрольно-измерительных приборов, которые позволят комплексно отслеживать параметры давления, температуры, влажности и т. д.

Принцип действия

В исходном положении два барабана заполняются водой – один полностью (водяной), а второй (паровой) наполовину. Во втором коллекторе внутри предусматривается разделительная мембрана, отделяющая воду от пара. Данная граница называется зеркалом испарения. Рабочий процесс начинается с момента разгорания топки, которая сопряжена с теплообменником в виде трубчатой системы с циркулирующей водой. Горячая вода поступает в первый барабан, поддерживая в нем достаточный объем.

Параллельно начинается процесс испарения жидкости в паровом коллекторе водотрубного котла. Принцип работы агрегата основывается на конвективном теплообмене, который может выполняться в естественном безостановочном режиме. Холодная вода из системы центрального водоснабжения проходит базовый уровень фильтрации, затем поступает в теплообменную систему и направляется в барабан нагрева. Далее в зависимости от темпов испарения жидкость постепенно восполняет уровень наполнения парового коллектора. Пар, в свою очередь, или выпускается через дымоход, или же поступает в технологическую зону дальнейшего применения.

Отличия от жаротрубного котла

Теплообменник водотрубного котла

Разница между этими агрегатами заключается в конфигурации размещения камеры сгорания или в принципе источника тепловой энергии относительно теплообменника и емкости с водой. Во-первых, совсем не обязательна генерация пара. Жаротрубный котел в основном работает на обогрев водой, обеспечивая функцию системы ГВС. Во-вторых, у таких котлов топка размещается в центре конструкции, а емкости с контурами циркуляции воды носят прикладной характер. Они соприкасаются с теплообменником на внешней поверхности конструкции.

Но не только этим отличаются жаротрубные и водотрубные котлы. Разница проходит и по средствам регуляции теплообменного процесса. В конструкции водотрубного агрегата предусматривается экономайзер, благодаря которому изначально холодная вода подвергается предварительному нагреву. Соответственно, дальнейшие реакции теплообмена проходят интенсивнее и с меньшим объемом энергозатрат. С другой стороны, к преимуществам жаротрубного оборудования относят конструкционную простоту и минимальный объем обслуживающих мероприятий при эксплуатации.

Отличия от газотрубного оборудования

В водотрубных агрегатах непосредственным транслятором тепловой энергии выступает горячая вода, наполняющая циркуляционные трубы теплообменника. Получается эффективный и безопасный генератор, который способствует выработке пара. Что касается газотрубных котлов, то техническое исполнение даже внешне может отчасти соответствовать водотрубным конструкциям. Разница заключается лишь в том, что носителем тепловой энергии будут выступать отработавшие в камере сгорания газы. Как это влияет на эксплуатационный процесс? Если принцип работы водотрубного котла допускает полный расход продуктов выработки без остатков до момента испарения и дальнейшего использования пара, то газотрубный котел уже в системе теплообменника должен будет выпускать рабочую газовую среду. Причем для этого предусматриваются толстые патрубки для обеспечения безопасности процесса.

Разновидности водотрубного котла

Вертикальные водотрубные котлы

Основным классификационным признаком является расположение коллекторов. Традиционно конструкции оснащаются горизонтальными барабанами, которые удобно подключать к циркулирующим водоснабжающим контурам. Два коллектора устанавливаются на платформе параллельно, а между ними может размещаться топка с отводными каналами. Если же в техническом помещении недостаточно места, то используются вертикальные водотрубные котлы на специальной коммуникационной подложке. Барабаны цилиндрической формы устремляются вверх, а снизу подводится рабочая жидкость с разными показателями температур. Технологический пар выводится в верхней части.

Судовой водотрубный котел

Водотрубный котел для судна

Конструкция таких агрегатов оптимально подходит для использования в составе морского транспорта. Но и в этом случае используются особые модификации котлов – радиационные. Их отличительной чертой является применение радиационной тепловой энергии, которая так же выделяется в процессе сгорания топлива (обычно дизеля). Обязательное конструкционное условие – верхнее расположение форсунок топки. Еще одной особенностью устройства водотрубного котла для морских судов является совмещение с паротурбинными установками, обеспечивающими промежуточный подогрев пара.

Техническое обслуживание оборудования

Коммуникационная инфраструктура с элементами обвязки достаточно сложна у водотрубных агрегатов, что обуславливает обширный перечень технических мероприятий при диагностике и ремонте. Обслуживающий персонал должен периодически проверять состояние труб на герметичность, производить дефектоскопию функциональных узлов и автоматических средств контроля, а также поддерживать надежность соединений с крепежными элементами. Особое внимание уделяется обвязке теплообменника и коллекторов – малейшие перепады в давлении могут повредить конструкцию, что создаст условия для разгерметизации контура.

Плюсы конструкции

Водотрубный котел в корпусе

Самое главное достоинство таких котлов в общем семействе паровых агрегатов – это безопасность. Поддерживая оптимальный температурный баланс, можно рассчитывать на долгосрочную эксплуатацию оборудования без аварий и повреждений рабочих органов. Отмечаются и широкие регуляционные возможности водотрубного кота, что подтверждается интеграцией экономайзера с автоматической запорной арматурой. Устройства срабатывают без участия оператора, опираясь на данные установленных алгоритмов термостата. Это дает возможность программировать работу системы на несколько дней вперед.

Минусы конструкции

Принцип работы таких котлов ориентирован на высокую производительность независимо от условий применения. В последнее время этот нюанс играет все большую роль на фоне оптимизации и рационализации производственных мощностей. Массивный корпус и многоуровневые коммуникационные развязки паровых водотрубных котлов заставляют искать альтернативные решения задач парогенерации. Впрочем, не исключается и концепция минимизации устройства данного котла. Но в этом случае будет утрачен высокий КПД, не говоря о возможностях работы в режиме когенерации с параллельным обеспечением работы ГВС. Иными словами, оборудование оптимально подходит для крупных производств, нуждающихся в больших объемах технологического пара, но едва ли пригодится для снабжения потребителей с низкими запросами к целевой энергии.

Заключение

Паровые котлы Бош

Принципиальным отличием самой концепции водотрубных котлов является принадлежность к классу прямоточного оборудования. Такие установки имеют существенное преимущество перед автономными системами, которое заключается в возможности непрерывного процесса генерации. Даже на пиковом рабочем режиме водотрубные водогрейные котлы способны функционировать длительное время поддерживая то же качество выработки пара. Другое дело, что требования безопасности все же исключают длительные сеансы эксплуатации на высоких мощностях. Что касается автономности, то она применительно к таким котлам выражается в исключении необходимости энергообеспечения. Разумеется, запорная арматура будет нуждаться в питании хотя бы от аккумулятора, но сам процесс циркуляции воды и последующего испарения вполне обходится без электроэнергии.

Читайте также: