Основы теплотехники

Котельные установки

Котельной установкой называют совокупность устройств для производства теплоты, горячей воды или пара заданных параметров и в требуемом количестве.

В зависимости от назначения котельные установки подразделяют на энергетические, производственно-технологические, а также отопительные.

Энергетические котельные установки обеспечивают паром паровые двигатели - паровые турбины и машины, в которых пар является рабочим телом, совершающим полезную работу в результате изменения параметров состояния. В энергетических котельных установках вырабатывается перегретый пар низкого давления до 3 МПа. среднего – до 10 МПа. высокого – до 14 МПа и сверхвысокого давления – до 25,5 МПа .

Производственно-технологические котельные установки вырабатывают пар для технологических нужд и отопления производственных помещений. Производственно-технологические котельные установки вырабатывают пар низкого давления 0,3…0,7 МПа и реже – до 1,3 МПа .

Тепловые (отопительные) котельные установки. как и следует из названия, обеспечивают теплотой отопительные, вентиляционные системы и установки горячего водоснабжения. Отопительные котельные установки вырабатывают пар с избыточным давлением 0,13…0,3 МПа .

Котельная установка состоит из котельного агрегата и ряда вспомогательных устройств.


Котельный агрегат является основной частью котельной установки.

В его состав входят топка, в которой сжигается топливо, котел и пароперегреватель, служащий для превращения поступающей в него воды в насыщенный пар.

К дополнительному оборудованию котельной установки можно отнести экономайзер для подогрева питательной воды, воздухоподогреватель для подогрева воздуха, поступающего в топку, дутьевой вентилятор, подающий воздух в воздухоподогреватель, обмуровка, уменьшающая потери теплоты в окружающую среду, различная арматура и гарнитура для обслуживания котельной установки и обеспечения безопасной работы котельного агрегата.

Кроме того, к оборудованию, обеспечивающему работу котельной установки, относятся: склады топлива, топливоподающие устройства, топливоподготовительные устройства (дробилки, сушилки, мельницы, бункеры, питатели и т. д.). устройства золо- и шлакоудаления, дымососы и дымовые трубы, водоподготовительные устройства (для удаления из воды примесей) и некоторые другие устройства.

Работа котельной установки заключается в получении насыщенного пара в котле путем сжигания топлива в топке; затем этот пар в пароперегревателе превращается в перегретый пар и далее направляется в паровую турбину или другим потребителям.

Основные требования, предъявляемые к котельной установке – безаварийность работы, легкое регулирование, высокая производительность, минимальная стоимость пара.

Основными показателями, характеризующими экономичность работы котельного агрегата, являются тепловой баланс и коэффициент полезного действия .

Тепловой баланс устанавливает соотношение между количеством теплоты, поступившей в котельный агрегат, и суммой израсходованной теплоты, которая слагается из полезно используемой теплоты (затраченной на получение пара) и неизбежных тепловых потерь.

Потери теплоты в котельной установке складываются из потерь с уходящими дымовыми газами (самые значительные потери тепла). потерь на химическую и механическую неполноту сгорания топлива, и потерь тепла в окружающую среду через обмуровку котельного агрегата.

Уменьшают потери тепла с уходящими газами путем снижения их температуры на выходе из котельного агрегата. Этого можно достичь, используя различные подогреватели, теплообменники и экономайзеры для нагревания воды, используемой для технологических и отопительных целей. Однако чрезмерное охлаждение дымовых газов нежелательно, поскольку это влечет за собой появление конденсата, вызывающего коррозию труб и металлических частей котельного агрегата. При этом коррозия увеличивается воздействием серной кислоты, образующейся в результате взаимодействия влаги с двуокисью серы SO2. содержащейся в продуктах сгорания.

Потери от химической неполноты сгорания чаще всего зависят от правильности выбора режима подачи воздуха в топку. Потери от механической неполноты сгорания зависят от вида и качества топлива, способа его сжигания и условий эксплуатации котельной установки.

Для характеристики экономичности котельного агрегата вводят понятие брутто-коэффициента полезного действия. который представляет собой отношение полезно использованной теплоты ко всей теплоте, полученной в результате сжигания топлива.

Обычно котельные установки имеют брутто-коэффициент полезного действия в пределах 0,7…0,93 .

В водогрейных котельных агрегатах производится нагрев воды до требуемой температуры, которая затем по трубопроводам направляется потребителям с помощью насосных установок.

***

Классификация котлов

В зависимости от назначения котлы подразделяются на паровые и водогрейные.

Паровые служат для превращения воды в пар определенного давления с дальнейшим использованием его кинетической энергии.

Водогрейные котлы предназначены для получения горячей воды, которая может быть использована в системах теплоснабжения жилищно-коммунальных объектов, технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, объектов промышленного и бытового назначения. Применение паровых котлов для этих целей, как это реализовано во многих котельных, не рационально.

Применяемые в настоящее время водогрейные котлы можно условно разделить по материалу изготовления на чугунные и стальные.

Чугунные котлы предназначены для нагрева воды до температуры не выше 95° C при давлении не выше 0,6 МПа. Теплопроизводительность таких котлов, как правило, не выше 1,0 МВт. Чугунные котлы обладают высокой коррозийной стойкостью, не требуют обмуровки и благодаря материалу-чугуну, имеют низкую стоимость.

Однако технологические свойства чугуна определяют также большую толщину, значительный вес, высокую склонность к загрязнению и даже взрывоопасность таких котлов.

В отличие от чугунных, стальные котлы. в целом, не имеют ограничений по температуре нагрева и давлению воды. Они значительно легче и более удобны для ремонта и обслуживания.

По конструктивному исполнению стальные котлы подразделяются на три основные группы - жаротрубно-дымогарные, водотрубно-дымогарные и водотрубные.

Принцип работы жаротрубно-дымогарных котлов построен на сгорании топлива в жаровых трубах, пронизывающих корпус котла, заполненный водой. Такие котлы не требуют обмуровки, могут работать без дымососа и не требовательны к качеству воды. Тем не менее, их отличает высокая металлоемкость и большие габариты, низкая надежность жаровых труб и высокая склонность дымогарных труб к забиванию золой. Все это ведет к усложнению эксплуатации и снижению КПД котла.

Стальные водотрубно-дымогарные котлы - это котлы, где топка ограждается трубными панелями и (или) стенами из обмуровочных материалов, а конвективная часть полностью или частично выполняется в виде дымогарных труб, помещенных в водяной объем. Такие котлы менее металлоемки и взрывоопасны и более надежны. Однако конструкция этих котлов допускает возможность больших присосов холодного воздуха в газоход, забивание дымогарных труб золой и предполагает высокую температуру уходящих газов при загрязнении труб и при форсировке котла.

Большинства этих недостатков лишены водотрубные котлы. Главное их отличие в организации движения воды и газов - вода движется внутри труб, а газы снаружи. Подобная конструкция позволяет достичь наибольшей интенсивности передачи тепла от газов к воде, а следовательно - наименьшую металлоемкость котла в целом. Кроме того, малый и рассредоточенный по трубам объем воды исключает возможность больших разрушений при взрыве труб.

Недостатки есть, конечно, и у такой системы - необходимость специального газоплотного ограждения и предварительной очистки воды - однако надежность и КПД котлов водотрубной конструкции значительно выше, чем у других.

Таким образом, наиболее эффективными для систем теплоснабжения являются водотрубные водогрейные котлы в газоплотном исполнении.

Нормативные требования к котлам содержатся в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», которые определяют требования к устройству, изготовлению и эксплуатации паровых котлов, пароперегревателей и экономайзеров с рабочим давлением более 0,07 МПа и водогрейных котлов с температурой роды выше 115° С и распространяются на: паровые котлы с топкой; котлы-утилизаторы; котлы-бойлеры; водогрейные котлы с топкой.

Паровой котел - это устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства.

Водогрейный котел - это устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне самого устройства.

Котел-утилизатор - это паровой или водогрейный котел, в котором в качестве источника тепла используются горячие газы технологического процесса.

Котел-бойлер - это паровой котел, в паровом пространстве которого размещено устройство для нагревания воды, используемой вне самого котла, а также паровой котел, в естественную циркуляцию которого включен отдельно стоящий бойлер.

***

Техника безопасности при работе с котлами

Расчет паровых котлов на машиностроительных заводах выполняют только как поверочный при оформлении технической документации для ввода котла в эксплуатацию или для обоснования допустимости эксплуатации.

Расчет проводится по утвержденным нормативам.

Паровые и водогрейные котлы устанавливают в специальных помещениях - котельных, в которых предусматривается не менее двух выходов. От производственных помещений котельные изолируют несгораемыми стенками.

Кровля котельной выполняется легко сбрасываемой для того, чтобы она в случае взрыва не оказывала большого сопротивления взрывной волне.

Расстояние от верхней площадки для обслуживания котла до нижних конструктивных частей перекрытия котельной принимается не менее 3 м.

Между котлами должен быть свободный проход шириной не менее 1 м. а при боковом обслуживании топки - не менее 2 м.

Устройство котельных в полуподвальных помещениях допускается только при использовании водогрейных котлов с температурой до 100° С или паровых котлов с давлением менее 0,07 МПа.

Для большего удобства и безопасности обслуживания в котельных, по возможности, обеспечивается естественное освещение помещения и обязательно искусственное освещение.

Рассмотрим опасности, которые могут возникнуть при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, возможные последствия и меры по их устранению.

Наибольшую опасность представляет взрыв .

Под взрывом парового котла понимается такое нарушение целостности его стенок, при котором происходит мгновенное понижение внутреннего давления до величины внешнего.

При взрыве происходит мгновенное испарение воды, находящейся в котле под давлением и нагретой до температуры свыше 100° С. поскольку вследствие нарушения целостности стенок котла давление в нем понижается до атмосферного. При мгновенном испарении воды образуется огромное количество пара (1 л воды, переходя в пар, увеличивается в объеме примерно в 1700 раз). что и является причиной больших разрушений. Таким образом, опасен не пар, находящийся в паровом пространстве котла, а готовая в любое мгновение испариться, нагретая до температуры более 100° С вода, обладающая громадным запасом энергии.

Аварии паровых котлов могут возникнуть из-за недостатка в них воды, неисправности питателей и водоуказательных приборов, плохого знания правил техники безопасности кочегарами или слабой производственной дисциплины.

При недостатке воды в паровом котле происходит размягчение металла топочной части, в стенках котлов могут образоваться выпучины, которые приводят к разрыву стенки.

Представляет опасность образование и скопление накипи на отдельных элементах котла, которое наблюдается при нерегулярной чистке котлов. По этой причине может образоваться выпучина и возможен разрыв.

При попадании воды на перегретую до красного калeния стенку котла мгновенно образуется пар. Возникающее при этом на ограниченной перегретой и размягченной поверхности стенки котла высокое давление может вызвать ее разрыв.

Неудовлетворительный водный режим представляет опасность для котла по следующим причинам:

  • Накипь, образующаяся на стенках котла, имея низкий коэффициент теплопроводности, способствует перегреву стенок и размягчению металла.
  • Умягченная вода при значительной щелочности вызывает межкристаллитную коррозию, известную под названием каустической хрупкости.
  • Содержание в питательной воде кислорода и углекислого газа вызывает электрохимическую коррозию с образованием на поверхности окислов железа. Электрохимическую коррозию можно предотвратить удалением солей, кислорода и углекислого газа из питательной воды.

Для предотвращения этого воду, поступающую в котел, предварительно обрабатывают для уменьшения образования накипи на стенках котла. Возможно и умягчение воды посредством ввода в котел умягчающих средств вместе с водой.

***

Предохранительные клапаны паровых и водогрейных котлов

Для предохранения котла от аварии в результате повышения давления применяют предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны не должны допускать превышения давления в котле свыше 10% от расчетного. Суммарная пропускная способность предохранительных клапанов должна соответствовать или превышать часовую производительность котла.

Предохранительные клапаны водогрейных котлов рассчитывают по формулам, учитывающим количество и размеры клапанов, тепловую производительность котла, давление и эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции клапана.

На котлах, помимо обязательных приборов, устанавливают приборы, контролирующие уровень воды в котле, а в ряде случаев и ее температуру. Устанавливают также устройства, автоматически подающие звуковую или световую сигнализацию при снижении уровня воды в котле до минимального.

Недостаток воды в котле является наиболее частой причиной повреждения котла и взрыва.

Для устранения такой опасности в потолке топки устанавливают предохранительную пробку из легкоплавкого свинцово - оловянистого сплава. При недостатке воды в котле верхняя часть топки перестает охлаждаться, пробка, нагретая топочными газами, быстро расплавляется и в образующееся отверстие начинает поступать пар, который тушит огонь в топке.

***

по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"

(в формате Word, размер файла 68 кБ)

По материалам сайта: http://k-a-t.ru