Види теплогенераторів

Топки для рідкого і газоподібного палива. Як уже зазначалося раніше, з рідких палив у котельних установках використовується тільки мазут. Мазут і повітря надходять у топку через пальники, що складаються з форсунок і повітряних регістрів. Для ефективного спалювання рідкого палива його тонко розпилюють і добре перемішують з повітрям. Форсунки для розпилу мазуту розміщають у центрі пальників. Повітряні регістри призначені для подачі в амбразуру пальника закрученого потоку повітря і змішування його з дрібнорозпиленим мазутом.

За принципом дії форсунки поділяють на механічні й парові (повітряні), за конструктивним оформленням - на круглі і плоскі (щілинні). У механічних форсунках мазут подається до форсунок під тиском 10-30 бар, струмина мазуту набуває обертального руху, з великою швидкістю надходить у топку і розпадається за рахунок кінетичної енергії потоку пари (повітря).

У круглих парових форсунках пара і мазут рухаються в співвісно розміщених круглому і кільцевому каналах. У форсунках Шухова пара надходить по зовнішній кільцевій щілині, а мазут - по внутрішній трубі. В щілинних форсунках пара витікає з нижньої щілини, а мазут - з верхньої.

З підвищенням тиску пари зростає видатність форсунок і поліпшується якість розпилювання. Парові форсунки прості за конструкцією, але неекономічні, бо потребують багато пари: 0,3 - 0,5 кг на 1 кг мазуту. До їх недоліків, крім того, відносяться:

а) збільшення втрат тепла з відпрацьованими газами внаслідок збільшення об'єму продуктів згоряння; б) безповоротна втрата пари (і, відповідно, конденсата); в) шум, під час їх роботи.

Тому в установках великої і середньої потужності застосовують форсунки з механічним розпилюванням мазуту.

Топкові мазути звичайно мають високу в'язкість і в тій чи іншій мірі забруднені механічними домішками. Щоб мазут став текучим і його можна було транспортувати по трубопроводах, а також для кращого розпилювання в форсунках, його перед надходженням до форсунок підігрівають. При застосуванні механічних форсунок мазут треба також старанно фільтрувати, щоб не забруднювалися канали шайб, які мають малі прохідні перерізи.

Топкові камери для спалювання мазуту за своєю формою і конструкцією взагалі аналогічні з камерами для пиловидного палива, за винятком нижньої частини, яка має вигляд не шлакової воронки, а плоского поду. Пальники розміщають звичайно на фронтальній або бічних стінках топки.

При спалюванні високосірчастих мазутів, а також мазутів з великим вмістом ванадію і натрію виникає серйозне ускладнення в експлуатації.

Щоб зменшити сірчасту корозію і запобігти відкладенню золи з великим вмістом натрію, в топку або газоходи вводять домішку доломіту у вигляді дрібного порошку.

В енергетичних установках використовують природний газ, доменний газ і газ підземної газифікації. Спалюванню газу передують стадії сумішоутворення і підігрівання. Залежно від того, де змішують газ з повітрям, газові пальники поділяються на три типи: з попереднім змішуванням, дифузійні і проміжного типу. У пальниках з попереднім змішуванням газ і повітря змішуються перед пальником, і в пальник подається горюча суміш з невеликим коефіцієнтом зайвини повітря. У дифузійних пальниках газ і повітря подаються в топку роздільно, змішуються в топці способом турбулентної дифузії. В пальниках проміжного типу газ і повітря в значній мірі змішуються в самому пальнику і додатково перемішуються внаслідок дифузії в топковому просторі. Чим повніше перемішування в самому пальнику, тим кращі показники його роботи. При наявності газу високого тиску в невеликих установках можуть застосовуватись інжекційні пальники, в яких повітря інжектується струминою газу. Звичайно ж застосовують двопровідну систему з вентиляторним повітряним дуттям.

До пальників з попереднім змішуванням належать пальники з форкамерами, тунельні пальники, пальники з каналами й насадками з пористої вогнетривкої маси.

Такі пальники бувають безфакельними (безполум'яними, ко-роткополум'яними), бо переважна частина газу згоряє в форкамерах, тунелях або насадках, від чого на виході з пальника утворюється дуже короткий і малосвітний факел або (в пальниках з насадками) з пальника виходять прозорі продукти згоряння.

Застосування пальників з попереднім змішуванням дає можливість зменшити об'єм топкової камери, що важливо для невеликих установок.

У великих установках об'єм топки визначається, як правило, умовами охолодження. В той самий час пальники цього типу мають значні габарити, вони більш громіздкі, ніж пальники інших типів. Це стосується також і пальників, побудованих на застосуванні мікрофакельного горіння природного газу, в яких горюча суміш пропускається з малою швидкістю крізь численні отвори малого діаметра. Пальники з попереднім змішуванням застосовуються при спалюванні низькокалорійних газів у невеликих установках.

У топках енергетичних котлоагрегатів середньої і великої потужності застосовують або пальники проміжного типу, або дифузійні пальники. Загальний принцип їх роботи полягає в поділові газу на невеликі струмини і наступному змішуванні його з повітрям частково в пальнику, частково в топковій камері.

Струмини газу пронизують закручений повітряний потік, і газоповітряна суміш крізь амбразуру надходить у топку.

Топкові камери для спалювання газу і розміщення газових пальників аналогічні топкам при спалюванні рідкого палива. Суто мазутні і суто газові топки у великих установках трапляються рідше, ніж комбіновані топки для спалювання мазуту і вугільного пилу або газо-мазутні топки. У таких установках застосовують пальники, що дають можливість спалювати той чи інший вид палива. Наприклад, показаний на рис. 1-18. пальник призначений для спалювання рідкого і газоподібного палива.

1.3 Вихрові (циклонні) топки

Прямотоковий факельний метод спалювання не позбавлений і недоліків, зумовлених насамперед незадовільною аеродинамікою топкових камер (зокрема дуже малими швидкостями обмивання пилинок газовим потоком, особливо в заключній стадії горіння), а саме: громіздкість топкових камер через погане використання об'єму і необхідність глибоко охолоджувати гази в топці для попередження шлакування; висока концентрація золового пилу в потоці продуктів згоряння; золовий знос і занос конвективних елементів або знижені швидкості газів у них для попередження золового зносу; громіздке пилоприготувальне і золовловлююче обладнання. Ці недоліки в найбільшій мірі виявляються при спалюванні твердого палива.

Застосування вихрового (циклонного) принципу спалювання стало новим етапом у розвитку топкової техніки. Вихрові топки, як і факельні, можуть працювати з сухим і рідким шлаковидалянням. Найкращим типом вихрових топок для великих енергетичних котлоагрегатів є циклонні топки з рідким шлаковидалянням.

Першою топкою вихрового типу була пневматична (циркуляційно-вихрова) топка О.О. Шершньова для спалювання фрезерного торфу. Роботи по створенню цієї конструкції були початі наприкінці 20-х років нашого століття.

Нижня частина топкової камери має вигляд ежекторної воронки з двома вертикальними і двома похилими стінками-Основна кількість повітря (близько 85%) надходить в ежекторну воронку крізь горизонтальні сопла і створює в топці вихор з горизонтальною віссю обертання.

Дроблений торф подається в топку живильником тонким опаром по всій ширині топки, разом з торфом крізь щілинний пальник подається близько 15% повітря. Найдрібніші частки проходять стадію теплової підготовки, займаються і горять на льоту, крупніші частки, що падають униз, підхоплюються зустрічним газоповітряним потоком, піднімаються вгору і втягуються у вихровий рух. Повітряна струмина, що надходить із сопел, ежектує гарячі гази з топкового простору. В циркуляційному вихорі сушаться, здрібнюються, займаються і горять частки торфу.

Пневматична топка О.О. Шершньова надійна, гнучка і економічна. Крім фрезерного торфу, в ній можна також спалювати тирсу і лузгу.

Циклонні топки складаються з циклонних камер (передтопок) і камер охолодження, в нижній частині яких завершується процес горіння.

Найпоширеніші топки з горизонтальною або мало похиленою до горизонту циклонною камерою.

До цього типу топок належить циклонна топка Барнаульського котельного заводу-ЦКТІ (інж. О.Н. Ковригіна). Топка складається з трьох камер: циклонної, допалювальної і камери охолодження.

Краплі рідкого шлаку, що виносяться газовим потоком, який виходить з горловини циклонної камери, натрапляють на своєму шляху на вертикальну стінку з торкрету, нанесеного на екранні труби, осаджуються на ній і стікають униз. У другій камері гази тричі змінюють напрям руху на 90°. Між другою І третьою камерою розміщений шлаковловлювальний пучок екранних труб. Це забезпечує високий ступінь уловлювання шлаку в рідкому стані і високу повноту горіння пилу грубого помелу і навіть дробленки.

Топки з горизонтальними циклонами характеризуються коефіцієнтом шлаковловлювання ή=90÷95%, тепловим навантаженням циклонної камери =(16,7÷25)·103 кДж/(м3·год), відношенням довжини циклона до його діаметра = 1,0÷1,3, швидкістю повітря ω= =120÷180 м/сек, що підводиться.

Вона характеризується великим відношенням висоти передтопки до його діаметра =4÷6, середнім тепловим навантаженням циклонної камери =(4,18÷6,3)×10кДж/(м·год),високим коефіцієнтом шлаковидалення ή=75÷85% і швидкістю повітря ω=40÷70 м/сек.

Застосовують також топки з вертикальними циклонами, розміщеними над камерою охолодження. Основні показники їх такі:

=1; =(4,18÷5)·10 кдж/м·год; ή=75÷80%; ω=20÷30 м/сек.

Циклонні топки з рідким шлаковидалянням можна застосовувати для багатьох видів палива. Їх застосування обмежується через: а) несприятливі характеристики золи твердого палива (тугоплавкість, висока зольність), що утруднюють надійність добування і видалення шлаку в рідкому стані, особливо при неповному навантаженні агрегату, і б) високу зведену зольність палива Аз < 4%, що спричинює значну витрату теплоти з фізичною теплотою шлаку.

Застосування циклонного принципу спалювання дає можливість створити високовидатне й ефективне топкове обладнання для спалювання твердого палива у потужних установках, досягти високої інтенсифікації топкового процесу і максимального ступеня уловлювання в топці шлаку в рідкому стані. Останнім часом намітилась тенденція застосовувати циклонні передтопки також для спалювання рідкого палива.

Топки циклонного типу набули в нас поки що обмеженого застосування, але вони дуже перспективні.

2. Конструкції парових котлів і котельних агрегатів

2.1 Загальні відомості

Паровий котел - це елемент котельного агрегату, в якому вода перетворюється в насичену пару. На початковому етапі розвитку котельних конструкцій теплова схема котельних агрегатів була дуже примітивна, бо в котельних установках не застосовували перегрівники, водяні економайзери і повітропідігрівники. Агрегат складався з топки й котла, який виробляв насичену пару у наш час термін «паровий котел» застосовують як у власному (вузькому) розумінні, так і в широкому розумінні слова «котельний агрегат» і «парогенератор».

Сучасні котлоагрегати досить складні і різноманітні. Їх можна класифікувати за такими ознаками: а) виробність - агрегати малі (D<20 т/год), середні (D=20¸75 т/год), потужні (D³100 т/год), б) тиск - агрегати низького тиску (р < 30 бар), середнього (р = 30¸70 бар), високого (р>150 бар), надвисокого (р=150¸190 бар), надкритичного тиску (р>225 бар); в) конструктивне оформлення - котли барабанні (батарейні), жаротрубні, з димогарними трубами, комбіновані, водотрубні, спеціальних типів; г) розміщення поверхні нагріву - горизонтальне і вертикальне; д) число газоходів - одно-, дво-, три- і багатоходові; е) принцип дії - прямий і непрямий; є) призначення - енергетичні, промислові, транспортні, опалювальні; ж) циркуляція води - з природною циркуляцією, прямотокові, з багатократною примусовою циркуляцією.

Класифікація за видатністю і тиском в деякій частині орієнтовна і умовна. Ряд допоміжних класифікаційних ознак носить інший характер. Досить загальною класифікаційною ознакою є спосіб здійснення циркуляції. Тому розгляд котельних конструкцій зручно вести, користуючись ним.

2.2 Котли з природною циркуляцією

У котлах цього типу під час роботи внаслідок утворення пари, зривання парових бульбашок і їх скупчення відбувається рух води, який називається природною циркуляцією. В сучасних водотрубних котлах шлях води чітко виражений. У котлах старого типу рух неупорядкований, хаотичний, і тому ці котли іноді називають безциркуляційними.

Котли з природною циркуляцією більш поширені. Історію їх розвитку можна розбити на два періоди: початковий-від найпростішого котла до водотрубного і дальший - від водотрубного котла так званого заводського типу до сучасного потужного енергетичного котельного агрегату.

Перші парові котли мали вигляд горизонтального циліндричного барабана, заповненого до певного рівня водою, який обігрівався зовні. Такі котли були дуже металомісткими і маловидатними. Необхідність зменшити витрату металу на 1 м2 поверхні нагріву i на 1 т вироблюваної пари на годину, а також збільшити одиничну видатність котла зумовила пошуки більш досконалих конструкцій.

Розвиток конструкцій парових котлів у початковий період ішов у двох напрямках: а) розміщення у водяному просторі барабана внутрішніх поверхонь нагріву і б) приєднання до барабана додаткових зовнішніх поверхонь нагріву.

За першим варіантом внутрішні поверхні нагріву мали вигляд одної або двох труб великого діаметра (700 ¸ 1100 мм) - жарових труб. Котли цього типу, що дістали назву жаротрубних (однотрубні-корнвалійські, двотрубні-ланка-ширські), широко застосовувались у промислових установках; трапляються вони і тепер у малих котельних установках.

За другим варіантом внутрішні поверхні виконувались у вигляді багатьох труб малого діаметра (60-100 мм) - димогарних труб, що обмиваються зсередини димовими газами, а зовні - водою. Такі котли мають назву котлів з димогарними трубами. У чистому вигляді вони не знайшли помітного поширення, але стали основним елементом комбінованих котлів, у тому числі локомобільних, суднових, паровозних. Іноді їх застосовують як утилізаційні котли малої потужності для використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей.

Більш плодотворним виявився другий шлях розвитку - приєднання до барабана зовнішніх поверхонь нагріву, що привів до створення сучасних котлоагрегатів.

Першим етапом цього шляху було приєднання до основного барабана одного або двох барабанів досить великого діаметра (кілька сот міліметрів). Котли цього типу, що дістали назву барабанних (батарейних), давно втратили своє значення.

Другим етапом розвитку зовнішніх поверхонь нагріву було приєднання до основного барабана багатьох труб малого діаметра (70-100 мм) - кип'ятильних труб, що обмиваються всередині водою, а зовні - димовими газами. Котли з кип'ятильними трубами дістали назву водотрубних.

У перших конструкціях водотрубних котлів до барабана приєднувались проміжні елементи - камери, а до них - кип'ятильні труби (водотрубні котли заводського типу). Цей тип котлів можна вважати кінцевим підсумком першого періоду розвитку котельних конструкцій і разом з тим вихідним типом наступного періоду розвитку конструкцій сучасних котельних агрегатів з природною циркуляцією.

Загальним результатом розвитку котлів у перший період було істотне поліпшення техніко-економічних показників порівняно з вихідним - простим циліндричним котлом: вага металу, а також площі і об'єму, віднесених до 1 м2 поверхні нагріву. При цьому найкращі показники мали водотрубні котли. В той же час розвиток котельних конструкцій характеризувався зростанням відношення  - поверхні нагріву до водяного об'єму - i зменшенням ролі барабана як поверхні нагріву. В сучасних агрегатах барабан взагалі не є поверхнею нагріву.

Водотрубні котли можна поділити на дві групи: горизонтально-водотрубні (при невеликому куті нахилу кип'ятильних труб до горизонту) і вертикально-водотрубні (при куті нахилу труб понад 45°).

Горизонтально-водотрубні котли в свою чергу залежно від конструкції проміжних елементів між барабанами і кип'ятильними трубами поділяються на камерні і секційні.

У свій час існувало багато варіантів камерних котлів, камери яких мали вигляд плоских коробок значної ширини і висоти, але малої глибини. Укріплені анкерними в'язями камери приклепували до барабанів. Прямі кип'ятильні труби приєднувались до камер розвальцьовкою.

У нашій країні в свій час набули поширення камерні котли системи Лукіна, заводу Фіцнер і Гампер, а також котли системи Шухова, камери яких мали вигляд коротких циліндрів (головок, колекторів) із загальним люком. Це була оригінальна і для свого часу вдала і дешева конструкція, в якій стандартизувалися основні елементи.

Пізніше (в середині 30-х років) котли Шухова реконструювали і почали випускати котли Шухова-Берліна, які мали кращі показники щодо ваги і вартості, ніж котли Шухова.

Камерні котли мають багато недоліків - велика металомісткість, непридатність для високих тисків і великих потужностей, вони дорогі та ін. Тому виробництво таких котлів давно припинено.

Кроком уперед у розвитку горизонтально-водотрубних котлів було застосування замість суцільних камер окремих секцій коробчастої або циліндричної форми. Звичайно застосовувались коробчасті секції змієвидної форми з близьким до шахового розміщення труб у пучку. У горизонтальному перерізі секції майже квадратні, їх розміри невеликі. Коробчасті і циліндричні секції можна застосовувати для підвищених і високих тисків. Секційні котли Бабкок-Вількокс Ленінградського Металічного заводу (ЛМЗ), Таганрозького котельного заводу (ТКЗ) були досить поширені у нашій країні. Помітним етапом у розвитку секційних котлів був перехід до поперечного розміщення барабана. Це дало можливість підвищити одиничну потужність агрегату, спростити його конструктивну схему і здешевіти їх виготовлення.

Секційні горизонтально-водотрубні котли з поперечним розміщенням барабана і циліндричними секціями виготовлялись у нас до війни на параметри p == 35 бар, tn.п = 425° С і D = 160¸200 т/год. Вони були в той час найбільшими енергетичними котлоагрегатами. секційного

Проте горизонтально-водотрубні котли навіть найкращої конструкції складні і дорогі. Тому після війни виробництво їх було припинено.

У вертикально-водотрубних котлах кип'ятильні труби приєднують безпосередньо до барабанів. Проміжних елементів (камер, секцій) у цих котлах нема, що спрощує конструктивну схему. Верхні барабани таких виконують роль камер для приєднання труб і парозбірників - сепараторів, нижні барабани - камер і грязьовиків, з яких періодичним продуванням видаляють шлаки. Замість великої кількості (десятків і сотень) дрібних люків, що встановлювали у горизонтально-водотрубних котлах, у вертикально-водотрубних котлах передбачено декілька великих лазів, (не менше ніж 300´400 мм), крізь які можна проникнути в барабани. Розміщення барабанів, як правило, поперечне. Пучки кип'ятильних труб розміщують з великим нахилом до горизонту або вертикально. Труби приєднують до барабанів розвальцьовкою. Розвальцьовка їх у гніздах стінок барабанів робиться зсередини. На відміну від горизонтально-водотрубних котлів кип'ятильні трубки виконуються гнутими.

Вихідним типом сучасних вертикально-водотрубних котлів, стали котли Стерлінга з гнутими трубами, хоч у їх первісній, конструкції було багато недоліків: значна кількість барабанів. (три- і п'ятибарабанні) при малій одиничній видатності, багато рядів труб, розмішених по ходу димових газів, велика витрата металу і висока вартість котла.

Розвиток вертикально-водотрубних конструкцій характеризувався зменшенням кількості барабанів - найтяжчих і найдорожчих деталей котла - від п'яти до одного при одночасному збільшенні в десятки разів одиничної потужності котла, відмовленням від неактивно діючих, розміщених у зоні низьких температур газів, пучків котельних труб, спрощенням і поліпшенням конструктивної і циркуляційної схеми котла.

Конструкція двобарабанного агрегату ЦКТІ - ТКЗ це енергетичний агрегат середнього тиску (р = 36 бар) на той час великої видатності (D = 140 т/год). Конструктивна схема котла досить проста: верхній і нижній барабани, огріваний підйомний пучок труб, неогріваний опускний пучок і розвинена система топкових екранів, що є ефективною випарною поверхнею нагріву. За котельним пучком по ходу газів розміщені пароперегрівник, водяний економайзер і повітропідігрівник. Компоновка агрегата П-подібна.

Останнім часом будують тільки невеликі двобарабанні вертикально-водотрубні котли.

Транспортабельний (щодо можливості транспортування в складеному вигляді залізницею) котел ДКВ (двобарабанний котел вертикальний) з двома вподовж розміщеними барабанами. Котли цього типу (ДКВР) дещо модернізовані випускає тепер Бійський котельний завод. Їх виробність 2 т/год на тиск 8 бар без перегрівників і 4; 5; 6; 10; 20 т/год на тиск 13 бар і температуру перегрітої пари 350° С.

Після війни у нашій країні почали випускати потужні агрегати високого тиску однобарабанної конструкції екранного типу з розміщеним у верхній частині топки фестоном - три - або чотирирядним розрідженим пучком, утвореним розводкою труб заднього екрана. У великих котельних агрегатах, що випускаються останнім часом, у верхній частині топкової шахти встановлюють виступи («носки»), однорядні фестони і ширмові пароперегрівники у вигляді вертикальних ширм.

Для потужніших агрегатів ТП-90 виробністю 500 т/год і ТП-100 видатністю 640 т/год (для блоків 150 Мвт і 200 Мвт) на параметри пари р = 143 бар, tп. п = 570° С з проміжним перегрівом пари до 570° С ТКЗ застосовують нову Т-подібну компоновку. За такої компоновки топкова камера розміщується посередині у вихідному газоході, а конвективні елементи - у двох симетричних бічних опускних газоходах. Поряд з деякими перевагами Т-подібна компоновка разом з тим мала багато недоліків, через що пізніше їх не випускали. Схема власне котла в агрегатах ТП-90 і ТП-100 взагалі аналогічна схемі котла в агрегаті ТП-80.

У зв'язку з повним екрануванням топкових камер (f @ 1), зменшенням із зростанням тиску теплоти пароутворення r, підвищенням температури димових газів перед пароперегрівником, викликаним зростанням температури перегрітої пари, в агрегатах високого тиску відпала потреба в конвективних котельних пучках. У котлоагрегатах високого тиску вода перетворюється в насичену пару практично повністю в топкових екранах. При надвисоких тисках (180-190 бар) поверхня нагріву пароутворювальних екранів стає недостатньою для охолодження продуктів згоряння в топці до потрібної (щоб уникнути шлакування; температури. Тому

додатково в топці розміщують настінні екрани, які служать радіаційними пароперегрівниками.

У старих котельних конструкціях низького тиску котел був єдиною поверхнею нагріву. З ростом тиску і температури пари, застосуванням пароперегрівників і водяних економайзерів роль котла в загальному вбиранні теплоти безперервно зменшувалась. При тисках 180-190 бар основним у вбиранні теплоти і найважливішим (за умовами роботи) елементом став пароперегрівник. Помітно зросла також роль водяного економайзера. Так зростання параметрів пари істотно змінило профіль котельних агрегатів.

Агрегати з природною циркуляцією будуть для тисків до 190 бар. Це зумовлено тим, що при вищих, близьких до критичних тисках густина води і густина пари стають близькими за своїми значеннями, у зв'язку з чим дуже утруднюється організація надійної природної циркуляції і сепарації води від пари.

2.3 Прямоточні парогенератори

Принцип прямотоковості стосовно до парових котлів полягає в тому, що в елемент, який нагрівається (трубу, змійовик, ряд паралельно включених змійовиків), подається насосом стільки води, скільки в ньому утворюється пари. Найпростіший прямотоковий котел являє собою змійовик, в один кінець якого надходить вода, а з другого - виходить перегріта пара. Щоб дістати в потужних прямотокових котлах прийнятний гідравлічний опір котла, поверхні нагріву роблять у вигляді великого числа (кількох десятків) паралельних витків. Прямотокові котлоагрегати вигідно відрізняються від котлів з природною циркуляцією відсутністю важких і дорогих елементів - барабанів, системи неогрівних опускних труб і колекторів.

Страницы: 1, 2, 3, 4