Котельные установки малой и средней мощности широко применяются для различных технологических процессов, теплоснабжения, систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений, объектов промышленного и сельскохозяйственного строительства, предприятий общественного питания, технологических потребителей теплоты в банях, прачечных, на строительных площадках. В сельском хозяйстве пар, вырабатываемый котлами, используется на животноводческих фермах для запаривания кормов, а также для отопления теплиц и сушки зерна. В связи с освоением малообжитых и труднодоступных районов Севера и Востока значимость котельных установок различных мощностей возрастает.
В качестве топлива для котельных установок используются угли, торф, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут - эффективные источники тепловой энергии. При их применении упрощаются конструкция и компоновка котельных установок, повышающая экономичность, сокращающая затраты на эксплуатацию.
Увеличивается выпуск и улучшаются конструкции котлоагрегатов, повышается надежность и экономичность котельного оборудования, снижается металлоёмкость на единицу мощности, сокращаются сроки строительно-монтажных работ и затраты на них.
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, предназначенный для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию горячей воды или пара требуемых параметров.
В зависимости от назначения различают следующие типы котельных установок:
энергетические, вырабатывающие пар для паротурбогенераторов;
производственно-отопительные, вырабатывающие пар и нагревающие воду для удовлетворения технологических потребностей производства, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;
отопительные, вырабатывающие теплоту для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, а также для промышленных и коммунальных предприятий;
смешанного назначения, вырабатывающие пар для снабжения одновременно паровых двигателей, технологических нужд, отопительно-вентиляционных установок и горячего водоснабжения.
Котельные установки по виду вырабатываемого теплоносителя разделяют на три основных класса: паровые котельные установки для производства водяного пара, водогрейные котельные установки для получения горячей воды и смешанные котельные установки, оборудованные паровыми и водогрейными котлами, используемыми для получения пара и горячей воды одновременно или попеременно.
Котельная установка состоит из котельного агрегата и вспомогательного оборудования.
В состав котельного агрегата входят топочное устройство, паровой котёл, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, каркас с лестницами и помостами для обслуживания, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка, арматура, гарнитура и газоходы. К вспомогательному оборудованию относятся дутьевые вентиляторы, дымососы, питательные, подпиточные и циркуляционные наносы, водоподготовительные и пылеприготовительные установки, системы топливопередачи, золоулавливания и шлакозолоудаления. При сжигании жидкого топлива к вспомогательному оборудованию относится мазутное хозяйство, при сжигании газообразного топлива - газорегуляторный пункт или газорегуляторная установка.
Паровым котлом называется устройство, состоящее из топки, испарительных поверхностей для испарения пара, потребляемого вне этого устройства, с давлением выше атмосферного за счёт теплоты, выделяющейся при сжигании топлива. Водогрейным котлом называется теплообменное устройство, в котором за счёт источника энергии (топлива) нагревается вода, находящаяся под давлением выше атмосферного и используемая в качестве теплоносителя вне самого устройства.
Топочное устройство котлоагрегата предназначено для сжигания топлива и превращения его химической энергии в теплоту. Обмуровка котла - это система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций котла, предназначенных для уменьшения тепловых потерь и обеспечения газовой плотности. Несущую металлическую конструкцию, воспринимающую вес котла с учётом временных и особых нагрузок и обеспечивающую требуемое взаимное расположение элементов котла, называют каркасом.
Пароперегреватель - устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле. Он представляет собой систему змеевиков. Соединенных на входе насыщенного пара с барабаном котла и на выходе - с камерой перегретого пара.
Водяной экмайзер - устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного испарения поступающей в котёл воды.
Воздухоподогреватель - устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей его в топку котла.
Арматура - специальные устройства, предназначенные для регулирования расхода транспортируемого вещества, отключения и включения потоков газа, пара и воды. По направлению арматуру подразделяют на запорную, регулирующую, предохранительную, контрольную и специальную. Запорная арматура (вентили, задвижки и краны) предназначена для периодического включения или отключения отдельных участков трубопроводов. Регулирующая арматура (регулирующие вентили и клапаны) служит для изменения или поддержания в трубопроводах давления и расхода транспортируемого вещества. Предохранительную арматуру (грузовые, пружинные и обратные клапаны) применяют для автоматического открытия прохода, если давление превысит допустимое значение, а так же для предотвращения обратного движения жидкости или газа. Контрольную арматуру (контрольные краны, указатели уровня, трехходовые краны для манометров) используют для проверки наличия вещества в трубопроводе и определения его уровня. Специальная арматура (конденсатоотводчики и влагомаслоотделители) служит для удаления конденсата, отделения масла и других продуктов от газа.
К гарнитуре котла относятся устройства для обслуживания газотходов и топки котла: лазы, гляделки, затворы шлаковых и золовых бункеров, газовые и воздушные клапаны и заслонки, взрывные клапаны, а так же обдувочные аппараты. Лазы предназначены для осмотра и ремонта поверхностей нагрева, гляделки - для визуального осмотра топки и газоходов с наружной стороны котла, затворы шлаковых и золовых бункеров - для периодического удаления золы и шлака из бункеров, газовые и воздушные клапаны и заслонки - для отключения газотходов, регулирования тяги и дутья. Взрывные клапаны выпускают дымовые газы при повышении давления в топке или газоходе котла, предохраняя их от разрушения. Обдувочные аппараты применяют для удаления с поверхностей нагрева золы и шлака (струей пара или сжатого воздуха).
Питательные и подпиточные устройства (насосы, баки, трубопроводы) предназначены для подачи воды в котел или тепловую сеть (систему отпления)
Тягодутьевые устройства предназначены для подвода в топку котла воздуха, необходимого для сгорания топлива, и отвода из котла продуктов сгорания. Состоят они из дутьевых вентиляторов, воздуховодов, газоводов, дымососов и дымовой трубы, при помощи которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку, движение продуктов сгорания по газоходам и удаление их в атмосферу.
Водоподготовительные устройства служат для подогрева и умягчения питательной воды и состоят из аппаратов и приспособлений, обеспечивающих очистку от механических примесей и растворенных в ней накипеобразующих солей, а также для удаления из неё газов.
Топливоподготовительное устройство в котельных, работующих на пылевидном топливе, предназначено для измельчения топлива до пылевидного состояния; его оборудуют дробилками, сушилками, мельницами, питателями, вентиляторами, транспортерами и пылегазопроводами.
Устройство для удаления золы и шлака состоит из гидравлических систем и механических приспособлений: транспортеров, вагонеток и др.
Топливный склад предназначен для хранения топлива; его оборудуют механизмами для разгрузки и подачи топлива в котельную или в топливоподготовительное устройство.
К устройствам топлвого контроля и автоматического управления относятся контрольно-измерительные приборы и автоматы, обеспечивающие бесперебойную и согласованную работу отдельных устройств котельной установки для выработки необходимого количества пара заданных параметром (температуры, давления)
При сжигании пылевидного топлива применяют пылеугольные горелки, газообразного топлива - газовые горелки, топочного мазута - мазутные форсунки, газообразного топлива и топочного мазута - комбинированные газомазутные горелки.
Паровой котел - это теплообменный аппарат, в котором при сжигании органического топлива вода превращается в пар, используемый для нужд судна. В судовых установках энергия может подводиться путем непосредственного сжигания топлива в топке котла и путем подвода отработавших газов от ДВС или ГТУ. В последнем случае котлы называются утилизационными.
На судах с главными паровыми двигателями, являющимися основными потребителями пара, обслуживающие их котлы называются главными. Главные котлы обеспечивают паром одновременно и все другие вспомогательные потребители. На судах с главными дизельными или газотурбинными двигателями применяются вспомогательные котельные установки, в состав которых, как правило, входят вспомогательные и утилизационные котлы. Вспомогательные, как и главные котлы, работают на топливе, сжигаемом в топке, и обеспечивают паром вспомогательные потребители. Такими потребителями независимо от типа главного двигателя могут быть: паровые вспомогательные механизмы и аппараты (турбогенераторы, турбонасосы, испарители); паровые палубные механизмы (шпили, брашпили, лебедки); паровые подогреватели воды, топлива, масла, воздуха, жидкого груза, запаса топлива и воды в танках, воды в системе мойки танков; система пропаривания танков, продувания кингстонных решеток и др.; оборудование, служащее для удовлетворения бытовых нужд в паре (системы отопления, бани, прачечные) .
Котлы, вырабатывающие пар на основе теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в топке, представляют собой агрегат, в состав которого входят: непосредственно котел с парообразующими элементами, топка, топочное устройство, котельная арматура и контрольно-измерительные приборы (КИП). Совместно с котельным агрегатом они образуют котельную установку.
Схема котельной установки
Котельная установка может выполнять как самостоятельные функции, так и быть одним из основных элементов электрических станций. Так, промышленные котельные установки обеспечивают паро- и теплоснабжение на промышленных объектах, а отопительные котельные - и для горячего водоснабжения, и для отопления. В зависимости от того, какие функции выполняет котельная установка, она состоит из водогрейного либо парового котла и соответствующего дополнительного оборудования, которые обеспечивают работу котельной.
Водогрейный или паровой котёл представляет собой устройство, которое используется для получения горячей воды или пара при помощи теплоты, выделяемой при сгорании отходящих газов или органического топлива. Котлы, которые для нагрева воды используют тепло отходящих газов, называются утилизаторами.
Для того, чтобы любой котёл, в независимости от его типа, мощности и назначения, работал нормально, необходимо обеспечить такие процессы, как подготовка и сжигание топлива в топке котла, подачу в достаточном количестве окислителя, удалить образующиеся в результате сжигания топлива газы и прочие продукты горения (шлак и зола, образующиеся при сжигании твёрдого топлива). Всё это обеспечивает дополнительное вспомогательное оборудование.
Питатели сырого топлива, углеразмольные мельницы, топливные контейнеры и бункеры обеспечивают непрерывную подачу топлива нужной консистенции в топку котла в автоматическом режиме.
Дымососы и дутьевые вентиляторы , установленные в котлах, обеспечивают беспрерывную подачу в топку воздуха и выдувают продукты сгорания. Однако некоторые модели котлов предусматривают горение топлива в среде окружающего воздуха, как правило, это газовые котлы.
Водоподготовительные установки представляют собой целый комплект различных устройств, которые удаляют из питательной воды различные загрязнения, наличие которых может засорять и повреждать всю систему.
Золошлакоулавливающие и золоулавливающие устройства устанавливаются в дымоходы и служат для удаления из дымовых газов золы, шлака и прочих взвешенных частиц, загрязняющих атмосферу.
Контрольно-измерительная аппаратура, различные датчики, сигнализаторы и устройства для профилактической чистки труб котла от различных загрязнений.
Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной
По условиям предупреждения коррозии металла температура воды на входе в котел при работе на газовом топливе должна быть не ниже 60 °С во избежание конденсации водяных паров, содержащихся в уходящих газах. Так как температура обратной воды почти всегда ниже этого значения, то в котельных со стальными котлами часть горячей воды подается в обратную линию рециркуляционным насосом.
В коллектор сетевого насоса из бака поступает подпиточная вода (насос, компенсирующая расход воды у потребителей). Исходная вода, подаваемая насосом, проходит через подогреватель, фильтры химводоочистки и после умягчения через второй подогреватель, где нагревается до 75- 80 °С. Далее вода поступает в колонку вакуумного деаэратора. Вакуум в деаэраторе поддерживается за счет отсасывания из колонки деаэратора паровоздушной смеси с помощью водоструйного эжектора. Рабочей жидкостью эжектора служит вода, подаваемая насосом из бака эжекторной установки. Пароводяная смесь, удаляемая из деаэраторной головки, проходит через теплообменник – охладитель выпара. В этом теплообменнике происходит конденсация паров воды, и конденсат стекает обратно в колонку деаэратора. Деаэрированная вода самотеком поступает к подпиточному насосу, который подает ее во всасывающий коллектор сетевых насосов или в бак подпиточной воды.
Подогрев в теплообменниках химически очищенной и исходной воды осуществляется водой, поступающей из котлов. Во многих случаях насос, установленный на этом трубопроводе (показан штриховой линией), используется также и в качестве рециркуляционного.
Если отопительная котельная оборудована паровыми котлами, то горячую воду для системы теплоснабжения получают в поверхностных пароводяных подогревателях. Пароводяные водоподогреватели чаще всего бывают отдельно стоящие, но в некоторых случаях применяются подогреватели, включенные в циркуляционный контур котла, а также надстроенные над котлами или встроенные в котлы.
Показана принципиальная тепловая схема производственно-отопительной котельной с паровыми котлами, снабжающими паром и горячей водой закрытые двухтрубные водяные и паровые системы теплоснабжения. Для приготовления питательной воды котлов и подпиточной воды тепловой сети предусмотрен один деаэратор. Схема предусматривает нагрев исходной и химически очищенной воды в пароводяных подогревателях. Продувочная вода от всех котлов поступает в сепаратор пара непрерывной продувки, в котором поддерживается такое же давление, как и в деаэраторе. Пар из сепаратора отводится в паровое пространство деаэратора, а горячая вода поступает в водоводяной подогреватель для предварительного нагрева исходной воды. Далее продувочная вода сбрасывается в канализацию или поступает в бак подпиточной воды.
Конденсат паровой сети, возвращенный от потребителей, подается насосом из конденсатного бака в деаэратор. В деаэратор поступает химически очищенная вода и конденсат пароводяного подогревателя химически очищенной воды. Сетевая вода подогревается последовательно в охладителе конденсата пароводяного подогревателя и в пароводяном подогревателе.
Во многих случаях в паровых котельных для приготовления горячей воды устанавливают и водогрейные котлы, которые полностью обеспечивают потребность в горячей воде или являются пиковыми. Котлы устанавливают за пароводяным подогревателем по ходу воды в качестве второй ступени подогрева. Если пароводогрейная котельная обслуживает открытые водяные сети, тепловой схемой предусматривается установка двух деаэраторов – для питательной и подпиточной воды. Для выравнивания режима приготовления горячей воды, а также для ограничения и выравнивания давления в системах горячего и холодного водоснабжения в отопительных котельных предусматривают установку баков-аккумуляторов.
Принципиальная тепловая схема паровой котельной при закрытых сетях.
Тягодутьевые установки по схеме применения бывают: общие – для всех котлов котельной; групповые – для отдельных групп котлов; индивидуальные – для отдельных котлов. Общие и групповые установки должны иметь два дымососа и два дутьевых вентилятора. Индивидуальные установки по условиям регулирования их работы при изменении производительности котла являются наиболее желательными.
Методика проектирования котельных установок
Сепарационные устройства. Влажный насыщенный пар, получаемый в барабане котлоагрегатов низкого и среднего давлений, может уносить с собой капли котловой воды, содержащей растворенные в ней соли. В котлоагрегатах высокого и сверхвысокого давлений загрязнение пара обуславливается еще и дополнительным уносом солей кремниевой кислоты и соединений натрия, которые растворяются в паре.
Примеси, уносимые с паром, откладываются в пароперегревателе, что крайне нежелательно, так как может привести к пережогу труб пароперегревателя. Поэтому пар перед выходом из барабана котла подвергается сепарации, в процессе которой капли котловой воды отделяются и остаются в барабане. Сепарация пара осуществляется в специальных сепарирующих устройствах, в котором создаются условия для естественного или механического разделения воды и пара.
Естественная сепарация происходит вследствие большой разности плотностей воды и пара. Механический инерционный принцип сепарации основан на различии инерционных свойств водяных капель и пара при резком увеличении скорости и одновременном изменении направления или закручивания потока влажного пара.
На рис 14.4 показаны принципиальные схемы сепарирующих устройств.
Тягодутьевые устройства. Для нормальной работы котельного агрегата необходимы непрерывная подача воздуха для горения топлива и непрерывное удаление продуктов сгорания.
В современных котельных установках широко распространена схема с разрежением по газоходам. К недостаткам этой схемы следует отнести наличие присосов воздуха в газоотходы через неплотности в ограждениях и работу дымососов на запыленных газах. Достоинство такой схемы – отсутствие выбивания и утечек дымовых газов в помещение котельной, так как воздух в топку нагнетает вентилятор, а дымовые газы удаляет дымосос. В последнее время в мощных энергетических котельных установках широко применяется схема с наддувом. Топка и весь газовый тракт находятся под давлением 3-5 кПа. Давление создается мощными вентиляторами; дымосос отсутствует. Основной недостаток этой схемы – трудности, связанные с обеспечением надлежащей герметичности топки и газоходов котельного агрегата.
Для получения тяги необходимо увеличивать высоту трубы или температуру уходящих газов. Однако при использовании любого из этих способов необходимо иметь в виду, что высота трубы ограничена ее стоимостью и прочностью, а температура газов – оптимальным значением КПД котельной установки. Поэтому большинство современных котельных установок оборудуют искусственной тягой, для создания которой применяют дымосос, преодолевающий сопротивление газового тракта. В этом случае высоту трубы выбирают в соответствии с санитарно-техническими требованиями.
Напор воздуха, создаваемый вентилятором, также следует определять на основании аэродинамического расчета воздушного тракта (воздуховодов, воздухоподогревателя, горелочного устройства и т.д.) Максимальный напор вентилятора должен быть на 10% больше (b 2 = 1,1) потерь напора в воздушном тракте котельного агрегата.
Основы водоподготовки . Одной из основных задач безопасной эксплуатации котельных установок является организация рационального водного режима, при котором не образуется накипь на стенках испарительных поверхностей нагрева, отсутствует их коррозия и обеспечивается высокое качество вырабатываемого пара. Пар, вырабатываемый в котельной установке, возвращается от потребителя в конденсированном состоянии; при этом количество возвращаемого конденсата обычно бывает меньше, чем количество выработанного пара.
Потери конденсата и воды при продувке восполняются за счет добавки воды из какого-либо источника. Эта вода должна быть соответствующим образом подготовлена до поступления в котельный агрегат. Вода, прошедшая предварительную подготовку, называется добавочной, смесь возвращаемого конденсата и добавочной воды – питательной, а вода, которая циркулирует в контуре котла, котловой.
От качества питательной воды зависит нормальная работа котельных агрегатов. Физико-химические свойства воды характеризуют следующие показатели: прозрачность, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, солесодержание, окисляемость, жесткость, щелочность, концентрация растворенных газов (СО 2 и О 2).
Прозрачность характеризуется наличием взвешенных механических и коллоидных примесей, а содержание взвешенных веществ определяет степень загрязнения воды твердыми нерастворимыми примесями.
Топливоподача. Для нормальной и бесперебойной работы котельных установок требуется, чтобы топливо к ним подавалось непрерывно. Процесс подачи топлива складывается из двух основных этапов: 1) подача топлива от места его добычи на склады, расположенные вблизи котельной; 2) подача топлива со складов непосредственно в котельные помещения.
Очистка дымовых газов и удаление золы и шлака . При сгорании твердого топлива образуется много золы. При слоевом процессе сжигания основная часть минеральных примесей топлива (60-70%) превращается в шлак и проваливается через колосниковые решетки в зольник. В пылеугольных топках большая часть (75-85%) золы уносится из котлоагрегатов с дымовыми газами.
В настоящее время в котельных применяют следующие типы золоуловителей: 1) инерционные механические; 2) мокрые; 3) электрофильтры; 4) комбинированные.
Инерционные (механические) золоуловители работают по принципу выделения золовых частиц из газового потока под влиянием сил инерции.
В настоящее время широко применяются золоулавители мокрого типа. На рис.14.5 показана схема мокрого золоулавителя (скруббера) с нижним тангенциальным подводом запыленного газа.
Принцип действия электрофильтров заключается в том, что запыленные газы проходят через электрическое поле, образуемое между стальным цилиндром (положительный полюс) и проволокой, проходящей по оси цилиндра (отрицательный полюс). Основная масса частиц золы получает отрицательный заряд и притягивается к стенкам цилиндра, незначительная часть частиц золы получает положительный заряд и притягивается к проволоке. При периодическом встряхивании электрофильтра электроды освобождаются от золы. Электрофильтры применяют в котельных с расходом дымовых газов более 70000 м 3 /ч, отнесенных к нормальным условиям.
Комбинированные золоуловители являются двухступенчатыми, при этом работа каждой ступени основана на различных принципах. Чаще всего комбинированный золоуловитель состоит из батарейного циклона (первая ступень) и электрофильтра (вторая ступень).
Процесс золошлакоудаления можно разделить на две основные операции: очистка шлаковых и зольных бункеров и транспортировка золы и шлака на золоотвалы или шлакобетонных изделий.
Тепловая схема котельной с паровыми и водогрейными котлами
Тепловая схема котельной с паровыми котлами
Тепловая схема котельной с водогрейными котлами
Классификация котельных
Тема 4.1. Тепловые схемы и компоновка оборудования котельных
Классификация котельных в зависимости от назначения и состава оборудования. Тепловые схемы котельных с паровыми, водогрейными и пароводогрейными котлами. Основное и вспомогательное оборудование производственных и отопительных котельных. Типовые компоновки котельных на газомазутном топливе.
Котельные представляют сложное техническое сооружение, состоящее из котельного агрегата и вспомогательного оборудования, и предназначенное для производства пара или горячей воды, или того и другого одновременно. По своему назначению котельные установки делятся на:
Þ энергетические – вырабатывающие пар для получения электроэнергии;
Þ производственно-отопительные – вырабатывающие пар на технологию и теплоснабжение;
Þ отопительные – вырабатывающие воду на теплоснабжение;
Þ смешанные – вырабатывающие пар на энергетику, технологию и теплоснабжение.
Котельные с водогрейными котлами могут сооружаться для отпуска теплоты только в виде горячей воды при сжигании твердого, газообразного и жидкого топлива. Жидкое топливо обычно поступает в автоцистернах, т.е. в разогретом состоянии. Эти котельные могут работать как на закрытую, так и на открытую систему теплоснабжения. При разработке и расчете тепловых схем с водогрейными котлами необходимо учитывать особенности их конструкции и эксплуатации. Надежность и экономичность водогрейных котлов зависит от постоянства расхода воды через них, который не должен снижаться относительно установленного заводом-изготовителем.
Во избежание низкотемпературной и сернокислотной коррозии конвективных поверхностей нагрева температура воды на входе в котел при сжигании топлив, не содержащих серу, должна быть не менее 60 о С, малосернистых топлив не менее 70 о С и высокосернистых топлив не менее 110 о С.
Рисунок 4.1 – Тепловая схема котельной с водогрейными котлами:
1 – водогрейный котел; 2 – сетевой насос; 3 – насос сырой воды; 4 – подогреватель сырой воды; 5 – химводоочистка; 6 – подпиточный насос; 7 – бак деаэрированной воды; 8 – охладитель деаэрированной воды; 9 – подогреватель химически очищенной воды; 10 – деаэратор; 11 – охладитель пара; 12 – рециркуляционный насос.
Для повышения температуры воды на входе в водогрейный котел при температурах воды ниже указанных устанавливается рециркуляционный насос.
В котельных с водогрейными котлами часто устанавливаются вакуумные деаэраторы. Однако вакуумные деаэраторы требуют при эксплуатации тщательного надзора, поэтому в ряде котельных предпочитают устанавливать деаэраторы атмосферного типа.
Тепловая схема котельной с водогрейными котлами, работающей на закрытую систему теплоснабжения, представлена на рисунке 4.1.
Насос сырой воды 3 подает воду в подогреватель сырой воды 4 , где она нагревается за счет теплоты горячей воды. Подогретая вода направляется в химводоочистку 5 . Химически очищенная и подогретая вода подается в охладитель деаэрированной воды 8 , где нагревается, получая теплоту подпиточной воды. Дальнейший подогрев воды осуществляется в подогревателе химически очищенной воды 9 . Перед поступлением в деаэратор часть химически очищенной воды проходит охладитель пара деаэратора 11 .
Отпуск пара технологическим потребителям часто производится от котельных, называемых производственными. Эти котельные обычно вырабатывают насыщенный или слабо перегретый пар с давлением до 1,4 или 2,4 МПа. Пар используется технологическими потребителями и в небольшом количестве – на приготовление горячей воды, направляемой в систему теплоснабжения. Приготовление горячей воды производится в сетевых подогревателях, устанавливаемых в котельной.
Принципиальная тепловая схема производственной котельной с отпуском небольшого количества теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в закрытую систему теплоснабжения показана на рисунке 4.2.
Насос сырой воды подает воду в охладитель продувочной воды, где она нагревается за счет теплоты продувочной воды. Затем сырая вода подогревается до 20 – 30 о С в пароводяном подогревателе сырой воды и направляется в химводоочистку.
Рисунок 4.2 – Тепловая схема производственной котельной с паровыми котлами:
1 – паровой котел; 2 – расширитель непрерывной продувки; 3 – насос сырой воды; 4 – барботер; 5 – охладитель непрерывной продувки; 6 – подогреватель сетевой воды; 7 – химводоочистка; 8 – питательный насос; 9 – подпиточный насос; 10 – охладитель подпиточной воды; 11 – сетевой насос; 12 – охладитель конденсата; 13 – сетевой подогреватель; 14 – подогреватель химически очищенной воды; 15 – охладитель пара; 16 – атмосферный деаэратор; 17 – редукционно-охладительная установка.
Химически очищенная вода направляется в охладитель деаэрированной воды и подогревается до определенной температуры. Дальнейший подогрев химически очищенной воды осуществляется в подогревателе паром. Перед поступлением в деаэратор часть химически очищенной воды проходит через охладитель пара деаэратора.
Подогрев сетевой воды производится паром в последовательно включенных двух сетевых подогревателях. Конденсат от всех подогревателей направляется в деаэратор, в который также поступает конденсат, возвращаемый внешними потребителями пара.
Подогрев воды в атмосферном деаэраторе производится паром от котлов и паром из расширителя непрерывной продувки. Непрерывная продувка от котлов используется в расширителе, где котловая вода вследствие снижения давления частично испаряется.
В котельной с паровыми котлами независимо от тепловой схемы использование теплоты непрерывной продувки котлов является обязательным. Использованная в охладителе продувочная вода сбрасывается в продувочный колодец.
Деаэрированная вода с температурой около 104 о С питательным насосом подается в паровые котлы. Подпиточная вода для системы теплоснабжения забирается из того же деаэратора, охлаждаясь в охладителе деаэрированной воды до 70 о С перед поступлением к подпиточному насосу.
Использование общего деаэратора для приготовления питательной и подпиточной воды возможно только для закрытых систем водоснабжения из-за малого расхода подпиточной воды в них.
В открытых системах теплоснабжения расход подпиточной воды значителен, поэтому в котельной следует устанавливать два деаэратора: один для приготовления питательной воды, другой – подпиточной воды. В котельных с паровыми котлами чаще всего устанавливают деаэраторы атмосферного типа.
Для технологических потребителей, использующих пар более низкого давления по сравнению с вырабатываемым котлоагрегатами, и для подогревателей собственных нужд в тепловых схемах котельных предусматривается редукционная установка (РУ) для снижения давления пара или редукционно-охладительная установка (РОУ) для снижения давления и температуры пара.
При значительных расходах теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и относительно малых расходах пара на технологические нужды обычно проектируются котельные с паровыми и водогрейными котлами. Строительство котельных с паровыми и водогрейными котлами экономически целесообразно только при общей теплопроизводительности котельной более 50 МВт.
При разработке тепловой схемы котельной с паровыми и водогрейными котлами возможны два варианта:
1. Двухступенчатый подогрев сетевой воды. При этом вода подогревается сначала в пароводяных подогревателях, а затем в водогрейных котлах.
2. Одноступенчатый подогрев сетевой воды. При таком способе подогрева горячая вода вырабатывается водогрейными котлами, а пар – паровыми.
На рисунке 4.3 представлена принципиальная схема котельной с паровыми и водогрейными котлами, обеспечивающая одноступенчатый подогрев сетевой воды. Связью между паровой и водогрейной частью котельной является химическая очистка питательной воды и паропроводы для обоих теплоносителей (пар и горячая вода). Так как котельная работает на открытую систему теплоснабжения, предусмотрена установка двух деаэраторов: одного для дегазации питательной воды, другого – для подпиточной воды. Оба деаэратора атмосферного типа.
Насос сырой воды подает воду в охладитель продувочной воды, где она нагревается за счет теплоты продувочной воды. Затем сырая вода подогревается до 20 – 30 оС в пароводяном подогревателе и направляется в химводоочистку. Химически очищенная вода разветвляется на два направления: первое – подогреватель, охладитель пара, деаэратор питательной воды, второе – охладитель подпиточной воды. Из деаэратора питательной воды питательным насосом вода подается в паровые котлы и на впрыск в РОУ.
Сетевой насос подает обратную воду в водогрейные котлы и затем нагретую – в подающую линию теплосети.
Рисунок 4.3 – Тепловая схема котельной с паровыми и водогрейными котлами:
1 – паровой котел; 2 – редукционная установка; 3 – деаэратор питательной воды; 4 – охладитель выпара деаэратора питательной воды; 5 - охладитель выпара деаэратора подпиточной воды; 6 – деаэратор подпиточной воды; 7, 9 – подогреватель химически очищенной воды; 8 – охладитель подпиточной воды; 10 – сетевой подогреватель; 11 – охладитель конденсата; 12 – водогрейный котел; 13 – рециркуляционный насос; 14 – сетевой насос; 15 – подпиточный насос; 16 – бак-аккумулятор; 17 – питательный насос; 18 – химводоочистка; 19 – подогреватель сырой воды; 20 – барботер; 21 – охладитель непрерывной продувки; 22 – насос сырой воды; 23 – расширитель непрерывной продувки.
Вода из расширителя поступает в охладитель продувочной воды и сбрасывается в продувочный колодец (барботер).
Пар от паровых котлов частично направляется к технологическим потребителям, частично к РОУ, после которой используется на собственные нужды и подается потребителям, требующим давление 0,6 МПа. Непрерывная продувка от паровых котлов направляется в расширитель, где котловая вода из-за снижения частично испаряется. Пар из расширителя поступает в деаэратор питательной воды.
К вспомогательному оборудованию котельной относятся различные подогреватели, насосы, аккумуляторные баки (при открытой системе теплоснабжения), редукционные и редукционно-охладительные установки.
В основном в котельных применяются теплообменники поверхностного типа. В зависимости от расположения трубной системы теплообменники разделяются на вертикальные и горизонтальные.
Вертикальные теплообменники применяются в крупных паровых котельных для подогрева сетевой воды.
Горизонтальные теплообменники применяются для подогрева сырой и химически очищенной воды.
В качестве теплоносителя в этих теплообменниках используется пар или горячая вода.
Применяемые схемы включения деаэраторов представлены на рисунке 4.4.
В котельных с водогрейными котлами часто устанавливаются вакуумные деаэраторы. Однако они требуют при эксплуатации тщательного надзора, поэтому в ряде котельных предпочитают устанавливать деаэраторы атмосферного типа.
На рисунке 4.4, а показан деаэратор, работающий при абсолютном давлении 0,03 МПа. Вакуум в нем создается водоструйным эжектором. Подпиточная вода после химводоочистки подогревается в водо-водяном подогревателе горячей воды из прямой линии с температурой 130 – 150 о С. Температура воды после деаэратора 70 о С.
На рисунке 4.4, б показана схема деаэрации при давлении 0,12 МПа, т.е. выше атмосферного. При этом давлении температура воды в деаэраторе 104 о С. Перед подачей в деаэратор химически очищенная вода предварительно подогревается в водо-водяном теплообменнике.
Рисунок 4.4 – Схемы включения деаэраторов:
а – вакуумного; б – атмосферного; в – атмосферного с охладителем деаэрированной воды.
При приготовлении воды для нужд горячего водоснабжения в котельных, работающих на закрытую систему теплоснабжения, используются различные схемы присоединения к системе теплоснабжения местных теплообменников. В настоящее время применяются три схемы присоединения местных теплообменников, показанные на рисунке 4.5.
На рисунке 4.4, в показана схема деаэрации подпиточной воды, в которой после деаэрационной колонки вода поступает в охладитель деаэрированной воды, подогревая химически очищенную воду. Затем химически очищенная вода направляется в теплообменник, установленный перед деаэратором. Температура воды после охладителя деаэрированной воды около 70 о С.
Выбор схемы присоединения местных теплообменников горячего водоснабжения производится в зависимости от отношения максимального расхода теплоты на горячее водоснабжение Q Г.В к максимальному расходу теплоты на отопление Q О.
Рисунок 4.5 – Схемы присоединения местных теплообменников:
а – параллельное; б – двухступенчатое последовательное; в – смешанное.
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, предназначенный для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию горячей воды или пара требуемых параметров.
Виды котельного оборудования
В зависимости от назначения различают следующие типы котельного оборудования:
Котельные установки по виду вырабатываемого теплоносителя разделяют на три основных класса : паровые котельные установки для производства водяного пара, водогрейные котельные установки для получения горячей воды и смешанные котельные установки, оборудованные паровыми и водогрейными котлами, используемыми для получения пара и горячей воды одновременно или попеременно.
Основные и вспомогательные элементы котельных установок
Котельная установка состоит из котельного агрегата и вспомогательного оборудования.
В состав котельного агрегата входят топочное устройство, паровой котёл, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, каркас с лестницами и помостами для обслуживания, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка, арматура, гарнитура и газоходы. К вспомогательному оборудованию относятся дутьевые вентиляторы, дымососы, питательные, подпиточные и циркуляционные наносы, водоподготовительные и пылеприготовительные установки, системы топливопередачи, золоулавливания и шлакозолоудаления. При сжигании жидкого топлива к вспомогательному оборудованию относится мазутное хозяйство, при сжигании газообразного топлива – газорегуляторный пункт или газорегуляторная установка.
Паровым котлом называется устройство, состоящее из топки, испарительных поверхностей для испарения пара, потребляемого вне этого устройства, с давлением выше атмосферного за счёт теплоты, выделяющейся при сжигании топлива. Водогрейным котлом называется теплообменное устройство, в котором за счёт источника энергии (топлива) нагревается вода, находящаяся под давлением выше атмосферного и используемая в качестве теплоносителя вне самого устройства.
Топочное устройство котлоагрегата предназначено для сжигания топлива и превращения его химической энергии в теплоту. Обмуровка котла – это система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций котла, предназначенных для уменьшения тепловых потерь и обеспечения газовой плотности. Несущую металлическую конструкцию, воспринимающую вес котла с учётом временных и особых нагрузок и обеспечивающую требуемое взаимное расположение элементов котла, называют каркасом.
Пароперегреватель – устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле. Он представляет собой систему змеевиков. Соединенных на входе насыщенного пара с барабаном котла и на выходе – с камерой перегретого пара.
Водяной экмайзер – устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного испарения поступающей в котёл воды.
Воздухоподогреватель – устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей его в топку котла.
Арматура – специальные устройства, предназначенные для регулирования расхода транспортируемого вещества, отключения и включения потоков газа, пара и воды. По направлению арматуру подразделяют на запорную, регулирующую, предохранительную, контрольную и специальную. Запорная арматура (вентили, задвижки и краны) предназначена для периодического включения или отключения отдельных участков трубопроводов. Регулирующая арматура (регулирующие вентили и клапаны) служит для изменения или поддержания в трубопроводах давления и расхода транспортируемого вещества. Предохранительную арматуру (грузовые, пружинные и обратные клапаны) применяют для автоматического открытия прохода, если давление превысит допустимое значение, а так же для предотвращения обратного движения жидкости или газа. Контрольную арматуру (контрольные краны, указатели уровня, трехходовые краны для манометров) используют для проверки наличия вещества в трубопроводе и определения его уровня. Специальная арматура (конденсатоотводчики и влагомаслоотделители) служит для удаления конденсата, отделения масла и других продуктов от газа.
К гарнитуре котла относятся устройства для обслуживания газотходов и топки котла: лазы, гляделки, затворы шлаковых и золовых бункеров, газовые и воздушные клапаны и заслонки, взрывные клапаны, а так же обдувочные аппараты. Лазы предназначены для осмотра и ремонта поверхностей нагрева, гляделки – для визуального осмотра топки и газоходов с наружной стороны котла, затворы шлаковых и золовых бункеров – для периодического удаления золы и шлака из бункеров, газовые и воздушные клапаны и заслонки – для отключения газотходов, регулирования тяги и дутья. Взрывные клапаны выпускают дымовые газы при повышении давления в топке или газоходе котла, предохраняя их от разрушения. Обдувочные аппараты применяют для удаления с поверхностей нагрева золы и шлака (струей пара или сжатого воздуха).
Питательные и подпиточные устройства (насосы, баки, трубопроводы) предназначены для подачи воды в котел или тепловую сеть (систему отпления)
Тягодутьевые устройства предназначены для подвода в топку котла воздуха, необходимого для сгорания топлива, и отвода из котла продуктов сгорания. Состоят они из дутьевых вентиляторов, воздуховодов, газоводов, дымососов и дымовой трубы, при помощи которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку, движение продуктов сгорания по газоходам и удаление их в атмосферу.
Водоподготовительные устройства служат для подогрева и умягчения питательной воды и состоят из аппаратов и приспособлений, обеспечивающих очистку от механических примесей и растворенных в ней накипеобразующих солей, а также для удаления из неё газов.
Топливоподготовительное устройство в котельных, работующих на пылевидном топливе, предназначено для измельчения топлива до пылевидного состояния; его оборудуют дробилками, сушилками, мельницами, питателями, вентиляторами, транспортерами и пылегазопроводами.
Устройство для удаления золы и шлака состоит из гидравлических систем и механических приспособлений: транспортеров, вагонеток и др.
Топливный склад предназначен для хранения топлива; его оборудуют механизмами для разгрузки и подачи топлива в котельную или в топливоподготовительное устройство.
К устройствам топлвого контроля и автоматического управления относятся контрольно-измерительные приборы и автоматы, обеспечивающие бесперебойную и согласованную работу отдельных устройств котельной установки для выработки необходимого количества пара заданных параметром (температуры, давления)
При сжигании пылевидного топлива применяют пылеугольные горелки, газообразного топлива – газовые горелки, топочного мазута – мазутные форсунки, газообразного топлива и топочного мазута – комбинированные газомазутные горелки.
Паровые и водогрейные котлы
По конструктивному устройству котлы делятся на две группы: с естественной и принудительной циркуляцией. К первой группе относятся жаротрубные, локомобильные, вертикальные цилиндрические, вертикально- и горизонтально-водотрубные котлы. Ко второй группе относятся котлы прямоточные и специальных конструкций.
Важнейшие эксплуатационные показатели работы паровых котлов – паропроизводительность и тепловое напряжение поверхности нагрева, водогрейных котлов – теплопроизводительность и тепловое напряжение поверхности нагрева.
Паропроизводительностью котла называется отношение массы пара, вырабатываемое котлом, к интервалу его работы. Определяется она в килограммах в час или в тоннах в час. Часть барабана котла, заполненная водой, называется водяным объемом, а пространство над водой – паровым объемом. Поверхность, разграничивающая объем горячей воды и пара, называется зеркалом испарения. Поверхность, которая с одной стороны омывается газообразными продуктами сгорания, а с другой стороны водой, называется поверхностью нагрева котла. Отношение паропроизводительности к поверхности нагрева называется напряжением поверхности нагрева.
Поверхность нагрева, воспринимающая теплоту радиацией (излучением) от раскаленного слоя топлива в топке, называется радиационной поверхностью нагрева . Поверхность нагрева остальных частей котла, воспринимающая теплоту продуктов сгорания путем соприкосновения с ними, называется конвективной.
Горячими газами омывается только та часть котла, которая с внутренней стороны охлаждается водой. Нельзя допускать обогрев продуктами сгорания парового объема барабана котла, так как это приводит к перегреву металла его стенок и образования на них отдулин. Линия, отделяющая обогреваемую газами поверхность от необогреваемой, называется огневой линией .
Низший уровень воды, при котором нет ещё опасности обнаружения стенок барабана котла, называется наинизшим допустимым уровнем воды . Он должен быть на 100 мм выше обогреваемых газообразными продуктами сгорания стенок барабана котла. Чтобы образующийся пар не уносил с собой значительное количество влаги, уровень воды не должен превышать некоторый предел, называемый верхним уровнем воды . Наинизший допустимый уровень воды должен быть не менее чем на 25 мм выше нижней видимой кромки стекла водоуказательного прибора, а наивысший допустимый уровень – не меньше чем на 25 мм ниже верхней видимой кромки стекла прибора. Объем воды, заключенный между нижним и верхним уровнями воды, называется питательным объемом. Питательный объем определяет то количество воды, которое может быть превращено в пар без подпитки котла водой.
Теплопроизводительностью (тепловой мощностью) водогрейного котла называют величину, равную отношению количества теплоты, воспринимаемой водой в водогрейном котле, к продолжительности его работы.
Для водогрейных котлов делят теплопроизводительность на площадь поверхности нагрева котла и получают тепловое напряжение нагрева.
Пароводяная смесь, образующася в кипятильных трубах водотрубных котлов, поступает в верхний барабан, в котором пар отделяется от жидкости, а жидкость по опускным трубам поступает через коллектор вновь для нагрева в кипятильных трубах. Система кипятильных (обогреваемых) труб, барабан, опускные трубы и коллекторы для распределения котловой воды называется циркуляционным контуром котла .
Для надежной работы котла большое значение имеет организация движения воды в циркуляционном контуре, которое называется циркуляцией . Циркуляция может быть естественной и принудительной естественная циркуляция происходит под действием сил, обусловленных разностью плотностей воды на необогреваемых участках (опускных трубах) и пароводяной смеси на подогреваемых участках (кипятильных, экранных трубах). Расход воды через любой циркуляционный контур значительно превышает количество образующего в нем пара. Отношение количества воды, вошедшей в контур, к количеству образующегося в нем пара, называется кратностью циркуляции. В котлах с принудительной циркуляцией движение воды по испарительному контуру осуществляется специальными насосами.
Котёл типа Е-1,6-0,9
