Глава 1.Схема парового котла и принцип работы
Котлы представляют собой сосуды высокого давления, которые нужны для обеспечения отоплением многих предприятий, обогрева жилых помещений и получения горячей воды и пара для потребителей, а также получать электричество через паровые турбины. [2].Используется различное органическое топливо: уголь, газ, нефть и т. д., и ядерная энергия, используются для обеспечения электроэнергией большую часть населения мира, известно, что котлы наилучший выбор установки для преобразования этих видов энергии [3, 4].
На КЭС паровой котел и паровая турбина являются основными тепловыми установками (рис.1). Паровой котел – система для получения пара из подаваемой ему в большом количестве воды путем использования тепла, появляющегося при сжигании топлива. Питательная вода – вода, которая поступает в паровой котел. Вода в котле нагревается до температуры насыщения, испаряется, при этом получается насыщенный пар, который затем перегревается.
Рис 1. «Простейшая тепловая схема а) КЭС и б) ТЭЦ: 1-паровой котел; 2-паровая турбина; 3-электрический генератор; 4-конденсатор; 5-конденсатный насос; 6-питательный насос; 7- ПНД; 8- ПВД; 9-деаэратор; 10- подогреватель сетевой воды; 11-промышленный отбор пара; 12-водоподготовительная установка»[1]
Далее пар с высоким давлением поступает в турбину, там его тепловая энергия переходит в механическую энергию вращающегося вала турбины. С ним связан электрический генератор, в котором механическая энергия на основе закона Фарадея превращается в электрическую.
Для обеспечения работы парового котла входят следующие устройства и механизмы: топливоприготовительное оборудование, питательные насосы, дутьевые вентиляторы, которые подают в котел воздух для горения, дымососы, служащие для удаления продуктов сгорания через дымовую трубу в атмосферу, и другие вспомогательные оборудования, необходимые для обеспечения эксплуатации котла. Паровой котел вместе с набором перечисленного оборудования составляют котельную установку. Следовательно, понятие «котельная установка» шире понятия «паровой котел».
Простым котлом, производящим насыщенный пар низкого давления, является цилиндрический котел (рис.2,а)), имеющий топку с колосниковой решеткой, на которой сжигается уголь, а в воздух для горения поступает снизу через решетку. Поверхностью нагрева является нижняя часть горизонтального цилиндра (барабана), диаметром 1,2-1,6 м и заполненного на водой, которую омывают горячие газы после сжигания угля. Котел имеет наипростейшую конструкцию, но при этом выдавёт относительно небольшое количества насыщенного пара и имеет низкий КПД из-за высокой температуры газов, уходящих из котла (200-300°С).
Развитием этого типа котла стала серия водотрубных котлов. Данные котлы характеризуются развитием тепловоспринимающей поверхности, сделанной в виде большого количества труб маленького диаметра (80-60 мм), находящиеся прям в потоке горячих газов (рис.2,б),в)). Из-за этого существенно выросла паропроизводительность котла и давление насыщенного пара, немалая доля тепла газов используется полезно на нагрев и испарение воды. В конструкции (рис.2.в)) в опускном газоходе после выхода из теплообменной трубной поверхности установлена трубная змеевиковая поверхность, которая предназначена для подогрева поступающей в барабан воды – экономайзер. Там уходящие газы дополнительно передают тепло воде, который имеет в себе значительно низкую температуру, и удаляется из котла при температуре 150-180°С, что привело к росту КПД котла.
Вертикально-водотрубные котлы с факельным сжиганием топлива на данный момент являются современным типом котла, (рис.2.г)), в которых горение топлива происходит во взвешенном состоянии в большом свободном объеме топочной камеры, все стены которой закрыты вертикальными трубами. Эти трубы насыщенно обогреваются, в них нагревается и частично испаряется вода при высоком давлении. Насыщенный пар из барабана поступает в змеевиковую поверхность пароперегревателя.
Подача топлива и воздуха для сжигания происходит через горелки – устройства, обеспечивающие необходимое смешивание топлива и воздуха в топочном объеме при выходе из горелки. Уголь для его сжигания в объеме топки заранее измельчается до состояния мелкой пыли, которую взвешивают в воздухе. Для значительного улучшения сжигания топлива воздух поддерживается с определенной температуре в опускном газоходе котла в трубчатой поверхности воздухоподогревателя, что приводит к дополнительному снижению температуры газов на выходе из котла и увеличению степени сгорания топлива.
Рис.2. Типы водотрубных барабанных котлов: а) – цилиндрический; б) камерный горизонтально-водотрубный; г) – однобарабанный факельный вериткально-водотрубный; й 1- топка; 2- барабан-сепаратор; 3- нижний барабан; 4- выход пара; 5- раздающая водяная камера; 5’- коллектор; 6- трубы котельных пучков; 6’- трубы настенных экранов; 7- экономайзер; 8- пароперегреватель; 9- воздухоподогреватель; 10- колосниковая решетка; 11- горелка; 12- вход воды в котел.
То есть для получения подогретого пара из воды при ДКД происходит последовательным движении следующих процессов: нагрев питательной воды до температуры насыщения или близкой к ней температуры, парообразованием и отделением насыщенного пара в барабане и, наконец, перегревом полученного пара до заданной температуры. Эти процессы имеют конкретные границы раздела и исполняются в трех типах теплообменников, называемых поверхностями нагрева: экономайзерной, испарительной (парообразующей) и пароперегревательной [1].
1.1.Паровые ловушки
Паровые ловушки используются в паровых системах для удаления конденсата и неконденсирующегося газа. Они в основном используются в зданиях для пара нагревательных катушек и для удаления конденсата из паровых коллекторов, поскольку существует много типов паровых ловушек.
Работа паровых ловушек важна, потому что, если они не эксплуатируется должным образом и пропускает через себя живой пара со стороны конденсата, это приводит к очевидной потере энергии[5]. Кроме того, если ловушки не могут удалить воздух во время запуска или если они не могут удалить конденсат с достаточной скоростью, то в результате уменьшенная мощность и более длительные периоды для нагрева также приводят к потере энергии. Водный удар может в конечном итоге привести к повреждению клапанов и других компонентов в паровых системах, что приводят к утечке пара[2, 6]. Обеспечивая правильную работу паровые ловушки, значительное количество энергии может сохранить.
Паровые ловушки необходимо регулярно контролировать, так как можно предотвратит 15-20% неисправностей ловушек. Регулярная система паровой ловушки с регулярной программой проверки и последующее обслуживание могут сэкономить энергию до 10% [7-9], а срок окупаемости - 0,5 года[10]. Хотя срок окупаемости очень короткий, это не реализован в каждой паровой системе, потому что управление несколькими паровыми установками дорого на энергию. Добавление автоматизированных мониторов и программ обслуживания могут сэкономить еще больше энергии, без существенных дополнительных затрат. Эта система улучшит обслуживание программы, поскольку автоматизированный мониторинг может дать более быстрый ответ - ловушка не работает или неисправна. Использование автоматического мониторинга, по оценкам экспертов, позволит сэкономит дополнительные 5% на поддержании паровой ловушки, с окупаемостью 1 год [8, 11].
1.2.Классификация паровых котлов
По способу организации движения рабочей среды в поверхностях топочных экранов все конструкции паровых котлов разделяются на три вида: с прямоточным движением (рис.3,а), с естественной циркуляцией (рис.3,б) и с принудительной циркуляцией (рис.3,в). Движение воды в поверхности экономайзера и пара в пароперегревателе во всех паровых котлах прямоточное и происходит за счет избыточного давления, который создаётся питательным насосом перед входом воды в паровой котёл.
Рис.3.Схема водопарового тракта котла: а) прямоточного; б) барабанного с естественной циркуляцией; в) барабанного с принудительной циркуляцией; П.Н -питательный насос; т.э – топочные экраны; Пе – парогенератор; п.п – перегретый пар; Б – барабан; ПР – вывод из барабана части воды.
Прямоточный паровой котёл можно охарактеризовать последовательным включением и однократным прохождением рабочей средой всех поверхностей нагрева. Вода, поступающая в экономайзер, с практически тем же расходом происходит одним ходом все поверхности, включай топочные экраны, полностью испаряется и затем в виде перегретого пара покидает котёл и по паропроводу направляется к турбине. В такой конструкции котла при переменных режимах работы изменяются размеры зон нагрева и испарения воды и нагрева пара, что влияет на выходные параметры пара (прежде всего его температуру). Известная стабилизация параметров обеспечивается поддерживанием постоянного соотношения между расходом топлива (тепловыделением) и расходом воды. Ввиду этого прямоточный котёл требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования.
