Предназначение парового котла — классификация с описанием видов

Устройство парового котла

Паровой котёл любого типа собой представляет некую ёмкость, и эта ёмкость заполнена водой. Вода в паровом котле нагревается до газообразного состояния, испаряясь – переходит из жидкого состояния в газообразное. Рабочая емкость парового котла, зачастую, сделана из трубы большого диаметра. Все паровые котлы оборудованы специальной камерой, где сжигается разного рода топливо. Строение топочной камеры напрямую зависит от вида топлива, что будет использоваться в котле. В твердотопливных паровых установках должна быть установлена специальная решетка, сквозь которую зола будет осыпаться в зольник. Колосниковая решётка служит для подачи воздуха в топку котла. Продукты сгорания отводятся через дымоход. Дымоход должен быть смонтирован в самой верхней точке топочной камеры.

Если в паровой установке в качестве топлива используется разного рода природный газ, то в топку котла устанавливается специальная форсунка. Форсунка также используется тогда, когда в качестве топлива применяется мазут. При использовании форсунки также необходима подача воздуха сквозь колосниковую решетку, что обеспечит достаточную тягу в топке. В топке достаточно большая рабочая температура, но для розжига котла и для набора давления требуется какое-то время. Вырабатываемое в топочной камере тепло доводит до кипения воду в рабочей емкости, и затем образовавшийся пар поступает в трубопроводы паровой установки.

Парогенераторы, паровые котлы на твердом топливе до 5000 кг пара/час

Несмотря на то, что к традиционному твердому топливу относится каменный уголь и торф, промышленных парогенераторов работающих на каменном угле совсем не много, а торфяных парогенераторов еще меньше. В основном промышленные парогенераторы, работают на твердых отходах деревообрабатывающих производств, а так же на отходах, остающихся после чистки злаковых, круп, семечки подсолнуха, кукурузы и т.д. Применяются парогенераторы как правило, с целью получения водяного пара большого давления для производственных процессов, в которых необходим насыщенный пар. У таких парогенераторов есть свои преимущества — дешевизна сырья, а также большая производительность, экономичность, маленькие потери тепла и достаточно высокий КПД, так как в них применяются различные системы теплового экранирования, помогающие использовать тепло более рационально.

К сожалению, у твердотопливных парогенераторов есть и свои недостатки. В первую очередь это высокая пожароопасность такого парогенератора, обязательное присутствие хорошей тяги, экологическая вредность парогенератора, большое количество отходов после сгорания твердого топлива, необходимость в достаточном запасе топлива, дороговизна доставки топлива и вывоза отходов, тяжелая управляемость процессом получения пара и особенно его количеством. Тем не менее, если есть источник недорогого твердого топлива и нет особых требований к гибкости процесса парополучения, такие парогенераторы можно с успехом использовать.

Твердотопливные парогенераторы или паровые котлы различаются по способу теплового обмена на две категории: водотрубные паровые котлы и жаротрубные паровые котлы. Теплообмен в водотрубных паровых котлах происходит следующим образом, вода пропускается по трубам, которые в свою очередь, обогреваются теплом от сгорания топлива, доводя тем самым воду до состояния пара. В жаротрубных паровых котлах весь процесс происходит наоборот, тепло пропускается по трубам, а вода находится с внешней стороны труб.

Очень важно выяснить — какое топливо наиболее доступно в том регионе, где планируется использовать парогенератор. Особенно справедливо это для паровых котлов, использующих в своей работе твердое и жидкое топливо

Соответственно если в регионе есть угольная промышленность, то твердотопливные паровые котлы тут подходят как некуда лучше, даже если они менее экономичны, чем паровые котлы на жидком топливе.

Четкого разделения агрегатов, производящих пар, на парогенераторы и паровые котлы, нет. Понятие «паровой котел», как правило, используется в следующих случаях:

• агрегат имеет собственную топку или иной источник энергии и не использует для превращения воды в пар «стороннюю» энергию.
• Агрегат не использует электроэнергию для превращения воды в пар (электропарогенератор).
• Имеет высокую паропроизводительность, как правило более 500-1000 кг/час.
• Процесс производства пара из воды проистекает в экранных трубах и «барабане», как это происходит в традиционном паровом котле, а не в «змеевике», как это происходит в парогенераторе.

Внимание!

Обращайтесь к специалистам , в случае если Вы не нашли на нашем сайте необходимое оборудование или у Вас возникли вопросы. Специалист предоставит необходимую информацию и поможет определиться с выбором оборудования с учетом Ваших индивидуальных потребностей.

Технологическое применение котловых паровых установок

Паровые котлы, применяющиеся сегодня намного совершеннее тех что были в работе 100-120 лет назад в самый рассвет паровых машин. Но век таких агрегатов уже минул и сегодня эти агрегаты в основном применяются в четырех отраслях экономики:

• Теплоэнергетике;
• Энергетике;
• В промышленном производстве, где необходимо применение высокотемпературного пара;
• При утилизации отходов производства.

Паровые котлы в теплоэнергетическом комплексе используются как установка для отопления больших промышленных объектов. Для того чтобы в промышленном цеху или на конвейерной линии по сборке автомобилей было тепло используется паровая система отопления. Она более эффективна по сравнению с обычной котельной, где в качестве теплоносителя используется вода. Для таких масштабов, как локомотивное депо или средняя швейная фабрика одного парового котла вполне достаточно чтобы в помещениях была температура на уровне +16-18 градусов Цельсия. В теплоэлектроцентралях городов паровые котлы греют пар для пунктов теплоснабжения, где и происходит нагрев воды систем отопления жилых домов. Кроме того, он используется как энергоустановка во время пиковых нагрузок, чтобы снизить нагрузку на магистральные линии, и взять обслуживание части потребителей на себя. В электроэнергетике паровой котел является основным агрегатом, который вырабатывает пар для турбин генераторов. В паровой установке вырабатывается пар, он под давлением выпускается из котла и, попадая на лопасти турбины, обеспечивает ее вращение. Это самый простой и одновременно безопасный способ получить высокие обороты турбины. При этом паровой котел используется в технологическом цикле, что на обычной тепловой электростанции, что на атомной.

В промышленности, где применяется пар для приготовления перегретого высокотемпературного пара. Без паровой обработки не обходится дезинфекция цистерн и емкостей для пищевых продуктов, например, цистерна молоковоза обязательно обрабатывается паром, перед каждым рейсом и сразу после того, как молоко будет слито с нее. В кожевенном производстве обработка кожи проводится в несколько этапов, одним из которых выступает обработка паром.  В пищевой промышленности, при изготовлении продуктов из растительных жиров, продуктов животноводства и переработке продукции растениеводства пар используется не только как способ дезинфекции, но и как один из способов кулинарной обработки. Так, производство консервированных продуктов, соков, полуфабрикатов невозможно без обработки паром под высоким давлением.  В строительной индустрии при помощи пара проводится сушка железобетонных конструкций в сушилках заводов по производству железобетонных изделий. Пар по своим свойствам имеет высокую теплоемкость, даже конденсат пара в замкнутом контуре нагрет выше температуры кипения воды.

Используется паровой котел и при утилизации газообразных отходов производства. Так, при утилизации доменных газов, продуктов горения плавильных печей, остатков производства химических волокон и стекла установка используется как охладитель. Паровой агрегат выступает идеальным устройством для отбора тепла у газов перед их очисткой.

Основные термины и определения

В котельной технике применяют следующие термины и определения:

Котел

– устройство, в котором для получения пара или нагрева воды с давлением выше атмосферного, потребляемых вне этого устройства, используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива, а также теплота отходящих газов. Котел состоит из топки, поверхностей нагрева, каркаса, обмуровки. В котел могут также входить: пароперегреватель, поверхностный экономайзер и воздухоподогреватель.

Котельная установка

– совокупность котла и вспомогательного оборудования, включающего: тягодутьевые машины, сборные газоходы, дымовую трубу, воздухопроводы, насосы, теплообменные аппараты, автоматику, водоподготовительное оборудование.

Топка(топочная камера)

– устройство, предназначенное для преобразования химической энергии топлива в физическую теплоту высокотемпературных газов с последующей передачей теплоты этих газов поверхностям нагрева (рабочему телу).

Поверхность нагрева

– элемент котла для передачи теплоты от факела и продуктов сгорания теплоносителю (вода, пар, воздух).

Радиационная поверхность

– поверхность нагрева котла, получающая теплоту в основном излучением.

Конвективная поверхность

– поверхность нагрева котла, получающая теплоту в основном конвекцией.

Экраны

– поверхности нагрева котла, расположенные на стенках топки и газоходов и ограждающие эти стенки от воздействия высоких температур.

Фестон

– испарительная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков. Назначение фестона заключается в организации свободного выхода из топки топочных газов в поворотный горизонтальный газоход.

Барабан

– устройство, в котором осуществляется сбор и раздача рабочей среды, обеспечение запаса воды в котле, разделение пароводяной смеси на пар и воду. Для этой цели используются размещенные в нем паросепарационные устройства.

Котельный пучок

– конвективная поверхность нагрева котла, представляющая собой группу труб, соединенных общими коллекторами или барабанами.

Пароперегреватель

– устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле.

Экономайзер

– устройство для предварительного нагрева воды продуктами сгорания до подачи ее в барабан котла.

Воздухоподогреватель

– устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания до подачи его в горелки.

Классификация паровых установок

Для классификации паровых установок применяется несколько вариантов шкал и классификаций. Самые распространенные различают агрегаты по назначению, виду используемого теплоносителя и конструкции. Более детальная классификация использует технические особенности конструкции котлов и их назначение в технологическом цикле.

По области применения чаще всего оборудование классифицируется по следующим признакам:

• Бытовые парогенерирующие установки – применяются для отопления домов, сегодня такие котлы большая редкость. На смену бытовым котлам отопления сегодня приходят водогрейные котлы отопления, они более экономичны и безопасны.
• Промышленные агрегаты – используются в технологическом цикле производства продукции. Установки этого типа в большинстве своем производят сухой перегретый, применяемый для сушки, дезинфекции, обработки сырья.
• Паровые энергоустановки – вырабатывают пар, который является основным продуктом для генерации электричества и тепловой энергии;
• Котлы для утилизации отходов производства – используются в качестве охладителей высокотемпературных отходов металлургического и химического производства.

По потребляемым энергоносителям паровые котлы могут подразделяться на использующие:

• Газ;
• Каменный уголь;
• Электроэнергию;
• Жидкие углеводороды;
• Горючее растительного происхождения.

В промышленных установках используется два основных вида конструкций установок:

• Водотрубные паровые установки;
• Газотурбинные котлы.

Водотрубные котлы имеют преимущество перед газотурбинным, у них выше КПД. У этого типа паровых котлов выше производительность, они вырабатывают больше пара, и они обладают высокой скоростью нагрева воды. Принцип работы парового котла этого типа заключается в нагреве воды в трубах небольшого диаметра, они заполняются водой, а в пространстве между ними горит топливо. Таким образом, получается, что суммарная наружная поверхность обеспечивает большую площадь нагрева небольшого количества находящейся в ней. Большая поверхность нагрева дает возможность увеличить скорость образования пара, что делает этот вид паровых агрегатов максимально эффективными.

Водотрубные котлы бывают:

• Прямоточными;
• Барабанными.

Первые, обеспечивают высокую скорость парообразования. Вода, проходя по трубам, нагревается, преобразуется в пар и покидает контур котла.

Барабанные агрегаты делятся на паровые котлы горизонтального и вертикального расположения. Эти устройства более рационально распределяют процесс подготовки пара – барабан, применяемый в конструкции, позволяет собирать пар, отделять конденсат и вновь отправлять его в зону нагрева. Барабанные паровые котлы, имеющие несколько барабанов, производят высокотемпературный, сухой пар высокого давления.

Принцип работы газотурбинной паровой установки заключается в нагреве воды в контуре вокруг топки. По своей конструкции, газотрубный агрегат представляет собой объемный сосуд, через который проходят трубы большого диаметра. При сжигании топлива в полостях этих труб происходит нагрев воды и образование пара. На такой схеме построена и установка утилизации промышленных газов. Высокотемпературные газы пропускаются через трубы и отдают тепло нагревающейся воде. Эти агрегаты, по сути, являются котлами-утилизаторами, что устанавливаются на промышленных предприятиях.

Этот вид оборудования, к сожалению, имеет и существенный недостаток – они содержат большой объем пара под высоким давлением. Поэтому для контроля работы этого вида оборудования применяется высокоточные системы безопасности, а толщина стенок труб подбирается так, чтобы выдерживать давление в 10 кгс/см2.

Если брать производительность установок, то они разделяются на агрегаты малой, средней, большой мощности.

В зависимости от конструкции эти агрегаты делятся на:

• Установки производящие насыщенный пар;
• Агрегаты производящие перегретый водяной пар.

Насыщенный пар подается в систему при температуре 100 градусов Цельсия. Он быстро охлаждается и переходит в жидкое состояние, поэтому его применение ограничено в основном бытовыми установками и технологическими циклами, где требуется именно такой густой водяной пар. Давление в таких системах редко доходит до 100 Кпа.

Для отопления, генерации электричества и использования в качестве средства дезинфекции и в силовых установках используется перегретый водяной пар. Он практически не содержит крупных водяных капель, они отсеиваются в сепараторе, да и температура нагрева составляет 500 градусов.

Элементы, которые повышают эффективность котла парового типа

Современный котёл парового типа оборудован не только трубопроводами и топкой, но также в нём используются вспомогательные узлы. Эти дополнительные элементы способствуют не только поднятию температуры пара в установке, но и могут повышать рабочее давление, а также способствуют более интенсивному парообразованию. В перечень таких полезных элементов паровой установки входят:

1. Сепаратор, с помощью которого пар отделяется от влаги. Данное приспособление в несколько раз увеличивает коэффициент полезного действия парового котла.
2. Пароперегреватель, с помощью которого температура пара нагревается свыше 100 градусов по Цельсию. Этот элемент также ощутимо повышает КПД парового котла, поскольку способен нагреть сухой пар до 500 градусов. Такими вспомогательными приспособлениями комплектуются паровые установки, которые применяются в АЭС.
3. Аккумулятор пара, который способен накапливать пар, и в момент необходимости обратно отдавать его в рабочую магистраль.
4. Подготавливающие устройство, с помощью которого из обычной воды вытесняется излишний кислород. Данное приспособление в разы увеличивает срок службы паровой установки, поскольку малая концентрация кислорода в теплоносителе препятствует возникновению коррозии и накипи.

Также в современных паровых установках используются дополнительные элементы, с помощью которых удаляется конденсат, регулируется потребление топлива и расход воды, а также осуществляется управление котлом и контроль всех его параметров.

Классификация

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси
подразделяются на:

• барабанные (с естественнойru_en и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

Обозначения

Согласно , стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Тип-D-P-T-FOН

Тип

• Пр — с принудительной циркуляцией (вода из барабана подаётся в испарительные поверхности специальными насосами);
• Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• Е — с естественной циркуляцией (под действием разности плотностей воды и пара);
• Eп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• П — прямоточные;
• Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара;
• К — с комбинированной циркуляцией (в одних поверхностях естественная, в других принудительная);
• Кп — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара.

D

Паропроизводительность котла, т/ч.

P

Давление на выходе из котла, МПа (ранее часто указывалось в кгс/см²)

T

Температура на выходе из котла, °C (для котлов, генерирующих насыщенный пар, не указывается). Если температура после промперегрева отличается от температуры первичного пара, она указывается через дробь.

F

Вид топлива (если топка не слоевая):

• К — каменный уголь и полуантрацит (тощий уголь);
• А — антрацит, антрацитовый штыб (шлам);
• Б — бурый уголь, лигниты;
• С — сланцы;
• М — мазут;
• Г — природный газ;
• О — отходы, мусор;
• Д — другие виды топлива.

O

Тип топки (для газомазутных не указывают, кроме «В»):

• Т — камерная топка с твердым шлакоудалением;
• Ж — камерная топка с жидким шлакоудалением;
• Р — слоевая топка (решетка);
• В — вихревая топка;
• Ц — циклонная топка;
• Ф — топка с кипящим (флюидизированным) слоем (стационарным и циркулирующим);
• И — иные виды топок, в том числе двухзонные.

Н

«Н», если котёл под наддувом.

Что это за устройство?

Котёл парового типа может производить пар двух видов:

• пар, который насыщен водой;
• сухой пар, который еще называют «перегретый».

Первый вид водяного пара предназначен для работы в системах с рабочим давлением не более 100 кило Паскалей. Насыщенный пар нагревается до температуры не выше 100 градусов по Цельсию.

Второй вид пара в паровом котле предназначен для работы в системах с повышенным давлением – более 26 мега Паскалей. Сухой пар имеет более высокую температуру, и эта температура порой превышает 500 градусов Цельсия.

В основном, в системах отопления используется насыщенный пар, где трубопроводы не предназначены для высокого давления. Сухой пар используется в энергоустановках. При помощи перегретого пара работают мощные установки, которые вращают электрогенераторы. В некоторых видах транспортных средств перегретый пар является основной тяговой силой.

Особенности конструкции

В основе конструкции рассматриваемого котла лежит своего рода барабан. В этот элемент оборудования посредством системы насосов и труб подается предварительно подготовленная вода. В нижнем отсеке котла размещены опускные трубы. Эти элементы имеют разный диаметр и не нагреваются в процессе работы котла. По системе труб жидкость из барабана переходит в коллекторы. Последние чаще всего размещаются внизу котла.

Паровой котел

Коллектор сопрягается с барабаном при помощи подъемного трубопровода. За счет трубопровода в месте сгорания загруженного топлива создаются поверхности нагревания.

К парогенератору подключается система трубопроводов, работающая по механизму сообщающихся сосудов. В горячих трубах циркулирует смесь жидкой воды и водяного пара. Данная смесь имеет довольно низкую плотность, что позволяет ей беспрепятственно поступать в сепараторное отделение, где происходит разделение пара и воды. Жидкая составляющая направляется в барабан парового котла.

Пар переходит в паропровод, а затем – в специальные нагреватели, где происходит повышение давления, а также температуры пара до нужных параметров. В завершении пар направляется в соответствующую паровую турбину.

Делаем паровой котел

Устройство водотрубного типа котлов

Схема водотрубного котла вертикального типа.

Непрерывно растущее использование все более высокого парового давления привело к обращению к нового типа водотрубным котлам, имеющих различие от трубных в том, что в их состав входят трубочки с малым диаметром, которые заполняются водой и размещаются непосредственно над пламенем, а не в середине большого парового котла. Котлы водотрубного типа могут работать с высоким давлением пара (10-15 атм. и более) благодаря трубкам с малым диаметром и не толстыми стенками. Паровой котел водотрубного типа имеет меньший диаметр по сравнению с трубчатыми и английскими котлами, он не подвержен прямому воздействию пламени.

Примером водотрубного типа котлов является паровой агрегат Дюрра. Его конструкция заключается в размещенных под наклоном относительно горизонта трубочек, запаенных с одной стороны и установленных другой стороной в наводненную плоскостенную камеру (коллектор), образующиеся пары в которой направляется в верхний паровой колпак. В каждой водяной трубке находится еще меньшая трубочка. Между трубочками происходит нагрев воды и она в виде пара направляется в коллектор, стимулируя при этом возврат воды из него обратно во внутреннюю трубочку. В такой способ вода усиленно циркулирует, не позволяя грязи скапливаться на внутренней поверхности трубок. На территории Российской Федерации водотрубные паровые котлы Дюрра не стали популярными.

Схема принципа работы водотрубных котлов.

Образец водотрубного котла Рута характеризуется тем, что в его конструкции трубки соединяются посредством специальных соединительных ящиков, выполненных из чугуна. Эта модель парового агрегата вырабатывает пар с большим процентом влаги из-за небольших размеров парового объема в верхней трубе, которая является паросборником.

Очень популярны на территории России водотрубные установки американского производства Бабкок и Вилькокс. В их конструкции трубочки размещены в шахматном порядке.