Паровой котел

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Описание  технологического процесса.

Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных  для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных  устройств, связанных между собой  и служащих для передачи тепла  от продуктов сгорания топлива к  воде и пару. Исходным носителем  энергии, наличие которого необходимо для образования пар из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого  в котельной установке, являются:

1)процесс горения  топлива,

2)процесс теплообмена  между продуктами сгорания или  самим горящим топливом с водой,

3)процесс парообразования,  состоящий из нагрева воды, ее  испарения и нагрева полученного  пара.

Во время работы в котлоагрегатах образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя.

В результате этого  взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение  равенства между производимой и  потребляемой энергией. В свою очередь  процессы парообразования и пердачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя.

Горение топлива  является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения  представляет собой процесс окисления  его горючих элементов кислородом. проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Расчет процесса горения обычно сводится к определению  количества воздуха в м3,необходимого для сгорания единицы массы или  объема топлива количества и состава  теплового баланса и определению  температуры горения.

Значение теплоотдачи  заключается в теплопередаче  тепловой энергии, выделяющейся при  сжигании топлива, воде, из которой  необходимо получить пар, или пару, если необходимо повысить его температуру  выше температуры насыщения. Процесс  теплообмена в котле идет через  водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю.

Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разности температур теплоносителей, скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем  выше чистота поверхности.

Образование пара в  котлоагрегатах протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях.

Пар, образуемый в  котлоагрегате, подразделяется на насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так как на теплоэлектростанциях требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель, в данном случае ширмовой и коньюктивный, в которых для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов. Полученный перегретый пар при температуре Т=540 С и давлении Р=100 атм. идет на технологические нужды.

1.2 Описание  конструкции объекта

Паровые котлы типа ДЕ паропроизводительностью 10 т/ч, с абсолютным давлением 1,4 МПа (14 кгс/см2) предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий, на теплоснабжение систем отопления и горячего водоснабжения.

Котлы двухбарабанные вертикально-водотрубные выполнены по конструктивной схеме “Д”, характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями котлов являются верхний  и нижний барабаны 1,конвективный пучок  и образующие топочную камеру 2 левый  топочный экран (газоплотная перегородка),правый топочный экран ,трубы экранирования фронтальной стенки топки и задний экран.

Снизу в топку  подается нужный для сгорания топлива  воздух посредством дутьевых вентиляторов 3.Процесс горения топлива протекает  при высоких температурах, поэтому  экранные трубы котла воспринимают значительное количество тепла путем  излучения.

Продукты сгорания топлива, называемые иначе газами , поступают в котельные газоходы , при этом обогревается поверхность  пароперегревателя 4, омывают трубы  экономайзера 6, в котором происходит подогрев питательной воды до температуры, близкой к 200 С, поступающей в барабаны котла 1.Далее дымовые газы проходят в дымоход 5 и поступают в воздухоподогреватель7.Из него газы через дымовую трубу выходят в атмосферу. Вода в котел подается по трубопроводу 9, газ-трубопроводу10.Пар из барабана котла ,минуя пароперегреватель 4, поступает на паропровод 11.

Одним из важнейших  показателей конструкции котлоагрегата является его циркуляционная способность.Равномерная и интенсивная циркуляция воды и паровой смеси способствует смыванию со стены пузырьков пара и газа,выделяющихся из воды, а так же препятствует отложению на стенках накипи, что в свою очередь обеспечивает невысокую температуру стенок(200-400 С),ненамного превышающую температуру насыщения и еще не опасную для прочности котельной стали. Паровой котел ДЕ -10-14 Г принадлежит к котлам естественной циркуляцией. 
 
1.3. Обоснование необходимости контроля , регулирования и сигнализации технологических параметров.

Регулирование питания  котельных агрегатов и регулирование  давления в барабане котла главным  образом сводится к поддержанию  материального баланса между  отводом пара и подачей воды . Параметром, характеризующим баланс , является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления , снижение уровня ниже допустимых пределов , может привести л нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб и их пережег.

Повышение уровня также  ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в  пароперегреватель ,что вызовет выход его из строя. В связи с этим , к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования. Качество регулирования питания также определяется равенством подачи питательной воды. Необходимо обеспечить равномерное питание котла водой, так как частые и глубокие изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера .

Барабанам котла  с естественной циркуляцией присуща  значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в стационарном режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального  баланса , то в переходных режимах на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются .изменение расхода питательной воды, изменение паросъема котла при изменении нагрузки потребителя, изменение паропроизводительности при изменении при изменении нагрузки топки, изменение температуры питательной воды.

Регулирование соотношения  газ-воздух необходимо как чисто  физически , так и экономически. Известно , что одним из важнейших процессов , происходящих в котельной установке , является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора . Соотношение газ-воздух примерно составляет 1.10. При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Не сгоревший газ будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо. При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, но в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота , что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Система автоматического  регулирования разряжения в топке  котла сделана для поддержания  топки под наддувом , то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения(примерно 4мм.вод.ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься , что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

В питательной воде растворены соли , допустимое количество которых определяется нормами. В процессе парообразования эти соли остаются в котловой воде и постепенно накапливаются. Некоторые соли образуют шлам – твердое вещество , кристаллизующееся в котловой воде. Более тяжелая часть шлама скапливается в нижних частях барабана и коллекторов.

Повышение концентрации солей в котловой воде выше допустимых величин может привести к уносу  их в пароперегреватель. Поэтому  соли, скопившиеся в котловой воде, удаляются непрерывной продувкой, которая в данном случае автоматически  не регулируется. Расчетное значение продувки парогенераторов при установившемся режиме определяется из уравнений баланса  примесей к воде в парогенераторе. Таким образом , доля продувки зависит от отношения концентрации примесей в воде продувочной и питательной. Чем лучше качество питательной воды и выше допустимая концентрация примесей в воде , тем доля продувки меньше. А концентрация примесей в свою очередь зависит от доли добавочной воды , в которую входит , в частности , доля теряемой продувочной воды.

Сигнализация параметров и защиты , действующие на останов котла , физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например при упуске воды из барабана , уровень воды в нем понижается , вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван пережег труб донных экранов. Сработавшая без промедления защита , предотвратит выход из строя парогенератора. При уменьшении нагрузки парогенератора , интенсивность горения в топке снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи с этим предусматривается защита по погашению факела.

Надежность защиты в значительной мере определяется количеством ,схемой включения и надежностью используемых в ней приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие на останов парогенератора ; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции. 
 
 Паровые двухбарабанные котлы с развитыми котельными пучками типа Е, Е (КЕ), ДКВ. 
 
В котлах типа Е (рис.10), применяемых для сжигания газового, жидкого и твердого топлива, топочная камера 2 изнутри покрыта боковыми 6 и фронтально-потолочными 5 экранами, соединенными с входными коллекторами 1 и 3. Пароводяная смесь из экранов поступает в верхний барабан 7 (из боковых экранов после коллектора 4). За топкой в газоходе, имеющем поперечные перегородки, расположен котельный пучок 9, образующий с барабанами 7 и 10самостоятельный циркуляционный контур, в котором по передним, сильно обогреваемым трубам, поднимается пароводяная смесь, а по задним, слабообогреваемым, опускается вода. 
 
Эти котлы малой производительности (до 1 т/ч) и давления (0,9 МПа), не имеют экономайзеров и перегревателей, предусмотрена установка дымососа для удаления газов. 
 
Котлы ДКВ, ДКВр (рис. 11) применяют с продольным расположением барабанов 6 и 10, причем нижний барабан 10 укорочен, что позволяет в передней части котла разместить колосниковую решетку 1 и топочную камеру 3, покрытую экранами 4. Вода в экраны поступает из коллекторов 2, а пароводяная смесь отводится в переднюю часть барабана 6. Отпускные трубы 5 экранов служат одновременно опорами передней части верхнего барабана, а задняя часть барабана 6 через трубы котельного пучка 7 и нижний барабан 10 опирается на постамент 11. Котлы выпускаются производительностью 2,5- 3,5 т/ч на насыщенном или перегретом паре с давлением 1,3- 3,8 МПа. В котлах производительностью 10, 20 и 35 т/ч экранированы не только боковые стенки топки, но фронтовая и задняя (рис. 11). Между трубами котельного пучка предусмотрены вертикальные перегородки 9, обеспечивающие более полное омывание труб газами в результате горизонтальных поворотов. При установке пароперегревателя его размещают за правой перегородкой вместо части труб кипятильного пучка.  
 
Котлы малой мощности серии Е (КЕ), выпускаемые производительностью 2,5-25 т/ч для получения насыщенного и перегретого пара, используются на технологические и отопительно- вентиляционные нужды различных отраслей промышленности, строительства, сельского хозяйства. Они предназначены для слоевого сжигания бурых и каменных углей, имеют экранированную трубами топочную камеру, разделенную кирпичной перегородкой 13 (как и в котлах ДКВр производительностью более 10 т/ч) на собственно топку 3 и камеру догорания 12 (рис. 12). Топочные экраны из труб диаметром 51×2,5 установлены с плотным шагом S= 55 мм, что позволяет облегчить обмуровку 8 за экранами. Конструктивно котлы этой серии похожи на котлы ДКВр. В случае применения экономайзера и пароперегревателя их устанавливают отдельно в газоходе за котлом. 
 
^ 2.1.3. Котлы типа Е (ДЕ) и Е (ГМ). 
 
Для использования насыщенного и перегретого (до 380-440°С) пара давлением 1,4-3,9 МПа на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения широко используются газомазутные котлы серии Е (ДЕ) и Е (ГМ). 
 
Котлы Е (ДЕ) производительностью 4- 25 т/ч (за исключением топки) похожи на котлы Е (КЕ) и ДКВр – двухбарабанные с продольным расположением барабанов. Они экранированы по всем стенам топки, в газоходе между барабанами имеют котельный пучок с установленными в нём перегородками. Котлы изготавливаются и поставляются блоками, включающими барабаны, экраны и кипятильный (котельный) пучок, каркас и опорную раму. Отдельными блоками поставляются чугунные экономайзеры и пароперегреватели. На монтаже котлы обмуровывают и обшивают металлическим листом. 
 
В котлах Е (ГМ) (рис. 13) сохранены верхний 8 и нижний 11 барабаны, соединенные трубами котельного пучка 10, как и в ранее рассмотренных конструкциях котлов низкого давления. Однако высота и объём топочной камеры 3 значительно превышают размеры котельного пучка. Топочная камера плотно экранирована трубами 2, питающимися водой из нижнего коллектора 1, соединенного опускными трубами 15 с нижним барабаном 11. Пароводяная смесь из экранов 2 собирается в выходных коллекторах 6 и по трубам 7 отводится в верхний барабан или в выносной циклон 5. Трубы заднего однорядного экрана переходят вверху в многорядный фестон 9. 
 
Котел имеет помимо топки и соединительного газохода, в котором расположен котельный пучок, еще два газохода - опускной и подъемный. В опускном газоходе расположен стальной змеевиковый пароперегреватель 12 и воздухоподогреватель 14, а в подъемном – вынесенный экономайзер из чугунных ребристых труб. Поверхности нагрева подвешены к балкам каркаса, опирающегося вместе с обмуровкой на фундамент. Основные характеристики котлов типа Е (ГМ) приведены в таблице 1. 
 
С повышением производительности котлов и применением факельного сжигания твёрдого топлива, а также в газомазутных котлах увеличиваются объём топки и поверхность её стен, которые в современных котлах покрыты трубами – топочными экранами. Так как в котлах с естественной циркуляцией топочные экраны преимущественно испарительные поверхности нагрева, то с ростом производительности котла роль кипятильных (котельных) пучков постепенно уменьшается и отпадает надобность в установке двух барабанов, что видно при сопоставлении котлов (рис. 10 – 13) с однобарабанным котлом (рис. 14). 
 
Однобарабанные вертикально – водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией среднего давления выпускаются на давление 2,4 и 3,9 МПа, производительностью 25, 35, 50, 75, 100 и 160 т/ч с перегревом пара до 440*С. Как правило, они имеют П – образную компоновку с размещением топки в подъёмной шахте и конвективных поверхностей нагрева (экономайзера, воздухоподогревателей, а иногда и ступеней пароперегревателя ) в опускном газоходе. 
 
На рис. 14 приведён однобарабанный котёл типа БКЗ -7539Ф (Е -75 -3,9 -440 –БТ) с пылевидным сжиганием твёрдого топлива. Все стены топочной камеры4 экранированы испарительными трубами 5, образующими вместе с опускными трубами 6, нижними 2 и верхними 7 коллекторами и барабаном 8 отдельные циркуляционные контуры. Трубы заднего экрана переходят в верхней части у горизонтального газохода в четырёхрядный фестон 9. Размалываемое в мельницах 1 топливо вместе с подсушивающим воздухом входит в топку через прямоточные горелки 3, расположенные на фронтовой стене.  
 
В горизонтальном газоходе за фестоном расположен вертикальный пароперегреватель 10, состоящий из двух ступеней (1 и 2). 
 
В опускной конвективной шахте расположены экономайзер ^ 11 и воздухоподогреватель 12 (по две ступени 1 и 11). Подобная компоновка поверхностей нагрева котла характерна для большинства котлов с естественной циркуляцией как среднего, так и высокого давления, производительностью равной или более 35 т/ч. 
^ 2.1.4. Барабанные котлы высокого давления. 
На тепловых электростанциях России и в промышленных котельных при докритическом давлении наиболее распространёнными являются котлы с естественной циркуляцией. В основном это однобарабанные котлы (рис. 15) с топочными камерами 3 больших размеров, покрытыми из нутрии экранными трубами 2, являющимися испарительной поверхностью нагрева. Как в котлах среднего давления повышенной производительности, вода в экранные трубы поступает из барабана 6 по опускным трубам 4 и раздающему нижнему коллектору 1, а пароводяная смесь отводится в верхние коллекторы 5 и перепускным трубам поступает снова в барабан 6. Насыщенный пар, отделяемый в барабане от воды, по подводящим трубам направляется сначала в радиационный потолочный пароперегреватель 7, а затем в различной последовательности в ширмовый 8 и конвективный пароперегреватель 9. 
 
Соотношение размеров нагревателей, испарительной и перегревательной поверхностей котла, их компоновка в нём во многом зависит от параметров пара (температуры и давления). Поскольку с увеличением давления и температуры энтальпия жидкости и пара возрастает, а теплота парообразования, наоборот, падает, то с ростом параметров пара увеличивается доля экономайзерной и перегревательной поверхностей в котле и соответственно уменьшается доля испарительной поверхности (рис. 16). 
 
В зависимости от параметров пара и соотношения испарительных и перегревательных поверхностей на выходе из топки устанавливают ширмовый пароперегреватель 8 (рис. 15) в котлах высокого давления или фестон 9 (рис. 14) на котлах среднего и пониженных значений высокого давления. Пароперегреватели располагают в горизонтальном переходном газоходе и также иногда в верхней части опускного газохода конвективной шахты. Далее по ходу газов находятся экономайзер и воздухоподогреватель. 
 
Барабанные котлы с естественной циркуляцией в отечественной энергетике применяют до давлений 18,5 МПа. При более высоком давлении (рис. 17) плотность пара приближается к плотности воды, и развиваемый напор естественной циркуляции стремится к нулю, а при Р>22,5 МПа пароводяная смесь становится однородной (рп≈рв) и движение рабочего тела при естественной циркуляции прекращается, т.е. при таком давлении барабанные котлы с естественной циркуляцией неработоспособны. При Р>Ркр используются только прямоточные котлы.

Паровые котлы серии  ДКВР

Паровые котлы ДКВР-2,5; 4; 6,5; 10; 20 с газомазутными топками – двухбарабанные, вертикально-водотрубные, предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, идущего на технологические нужды промышленных предприятий, в системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Преимущества

• Надежная гидравлическая и аэродинамическая схема работы котла обеспечивает высокий КПД – до 91%. 
• низкий уровень затрат на эксплуатацию и обслуживание. 
• котел ДКВР имеет сборную конструкцию, что позволяет монтировать его в котельной, не разрушая стен, и быстро подключить к уже существующим системам.  
• возможен перевод котла с одного вида топлива на другой. 
• широкий диапазон регулирования производительности (от 40 до 150% от номинала) позволяет использовать котел с максимальной эффективностью и значительно экономить затраты на теплоэнергоснабжение. 
• Возможность перевода котла в водогрейный режим.
• Конструкция котла позволяет использовать под заказ различные варианты комплектации КИПиА, в том числе автоматизированными горелками

Циркуляционная  схема котла ДКВР

Питательная вода поступает  в верхний барабан по двум питательным  линиям, откуда по последним рядам  труб кон- вективного пучка поступает в нижний барабан. Питание экранов производится необогреваемыми трубами из вер- хнего и нижнего барабанов. Фронтовой экран котла ДКВР-10 питается водой из опускных труб верхнего барабана, задний экран – опускных труб нижнего барабана. Пароводяная смесь из экранов и подъемных труб пучка поступает в верхний барабан.

Все котлы снабжены внутрибарабанными паросепарационными устройствами для получения пара.

Котлы ДКВР-2,5, ДКВР-4 и ДКВР-6,5, поставка которых может  осуществляться одним транспортабельным  блоком и в разобранном виде, имеют  опорную раму сварной конструкции, выполненную из стального проката.

Котлы ДКВР-10 опорной  рамы не имеют. Неподвижной, жестко закрепленной точкой котла является передняя опо- ра нижнего барабана. Остальные опоры нижнего барабана и камер боковых экранов выполнены скользящими. Камеры фронтового и заднего экранов крепятся кронштейнами к обдувочному каркасу. Камеры боковых экранов крепятся к опорной раме.

Котел снабжен контрольно-измерительными приборами и необходимой арматурой: