Водотрубный котел

Водотрубный котел

Водотрубный котел – паровой котельный агрегат, конструктивно соединенный в единое целое комплекс устройств, предназначенный для получения пара под давлением или горячей воды за счет сжигания различного вида топлива. Водотрубный котел является одним из двух основных видов котлов. У водотрубного котла вода и пароводяная смесь движутся по стальным трубам, омываемым снаружи газообразными продуктами сгорания. Главной частью водотрубного котла являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель). Элементы водотрубного котла располагаются на каркасе. Они защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Основное свое применение водотрубные котлы получили на тепловых электростанциях. Там они необходимы для обеспечения паром турбин. Также водотрубные котлы применяются в отопительных и промышленных котельных для выработки пара и горячей воды для технологических и отопительных нужд; в судовых котельных установках. Конструкция водотрубного котла зависит от его функционального назначения, вида и типа применяемого топлива и способа сжигания, давления и температуры вырабатываемого пара, а также от единичной производительности пара. Сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания происходят в топочной камере водотрубного котла. В результате этого между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, в которых циркулирует охлаждающая их среда (вода или пар), происходит лучистый теплообмен. Система этих труб называется топочными экранами. При выходе из топки газы имеют температуру, достигающую 1000 °С. В дальнейшем на пути газа устанавливают трубчатые поверхности нагрева (пароперегреватели) для его охлаждения, обычно они выполняются в виде ширм-змеевиков с трубчатым поперечным сечением, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях происходит излучением и конвекцией, именно из-за этого такие поверхности часто называют полурадиационными. Пройдя пароперегреватель ширмового типа, газы с температурой 800—900 °С далее поступают в конвективные пароперегреватели высокого и низкого давления, которые выполнены в виде пакетов труб. Теплообмен в этих и последующих рабочих поверхностях нагрева происходит в основном конвекцией и соответственно называется конвективным. Затем на пути газов, имеющих температуру 600—700 °С, устанавливается сначала водяной экономайзер, а далее – воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе газы (в зависимости от вида сжигаемого топлива) охлаждаются до 130—170 °С. Дальнейшему снижению температуры мешает конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, которая образовалась при сжигании различных видов сернистого топлива и привела к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами с последующей коррозией металла. Охлажденные газы, пройдя устройства очистки различной степени от золы и в большинстве случаев от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Различные продукты сгорания топлива, которые были уловлены в водотрубных котлах, периодически или непрерывно удаляются через сложные системы шлакоудаления и золоудаления. По характеру передвижения рабочей среды водотрубные котлы бывают с многократной естественной или принудительной циркуляцией и прямоточные. В водотрубном котле с многократной циркуляцией рабочая среда непрерывно движется по замкнутому контуру, который состоит из обогреваемых и необогреваемых труб, соединенных между собой промежуточными камерами-коллекторами и барабанами. Там она частично испаряется в обогреваемой части контура. В связи с разностью плотностей пароводяной смеси в обогреваемой (подъемной) части контура и воды в слабо обогреваемой или совсем не обогреваемой (опускной) его части осуществляется движение рабочей среды по циркуляционному контуру в водотрубном котле с естественной циркуляцией. В водотрубном котле с принудительной циркуляцией перемещение рабочей среды по контуру осуществляется под действием циркуляционного насоса. Постоянное упаривание котловой воды в водотрубном котле с многократной естественной или принудительной циркуляцией в конечном счете неизбежно приводит к концентрации растворенных и взвешенных в ней всевозможных примесей (солей, окислов, гидратов окислов). В дальнейшем эти примеси могут скапливаться на внутренней поверхности труб обогревания с ухудшением условия их охлаждения и становясь причиной перегрева металла (с последующей аварийной остановкой водотрубного котла из-за разрыва рабочих труб). Кроме того, недопустимо чрезмерное повышение концентрации примесей в используемой воде из-за переноса их паром из барабана в капельках воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также в турбину, где вредные примеси оседают на рабочих лопатках турбомашины, существенно уменьшая ее КПД. Для избежания повышения концентрации примесей производятся продувки котла со строгой периодичностью. Предельно допустимая концентрация (ПДК) примесей определяется конструкцией и параметрами водотрубного котла, составом питающей воды и тепловыми напряжениями экранных поверхностей нагрева.

В прямоточном водотрубном котле происходят нагрев, испарение воды и перегрев пара за один проход рабочей среды по тракту. В отличие от водотрубного котла с естественной или принудительной, многократной циркуляцией в водотрубном котле с прямоточной организацией процесса генерации пара примеси, содержащиеся в питательной воде, не могут быть выведены из конструкции продувкой части котловой воды. В связи с этим часть вредных примесей осаждается на внутренней поверхности труб прямоточного водотрубного котла, а часть (вместе с паром) транспортируется в турбину, где отлагается на лопатках. Именно поэтому и предъявляются более жесткие требования к качеству питательной воды в прямоточных водотрубных котлах. В связи с этим вода предварительно проходит обработку в системе водоподготовки. Для повышения экономичности в энергетических установках используются схемы с вторичным (промежуточным) перегревом: образованный пар после срабатывания части его тепловой энергии в турбине возвращается в водотрубный котел, подвергается дополнительному перегреву в пароперегревателе с низким давлением и опять отправляется в турбину. Существуют водотрубные котлы с двумя промежуточными перегревами пара. Температура вторично перегретого пара, как правило, берется в рассмотрение такой же, как первично перегретого, или близкой к ней. Для поддержания температуры первичного и вторичного перегрева пара на требуемом уровне водотрубные котлы обычно снабжают различными регулирующими устройствами. Зачастую они представлены в виде смесительных и поверхностных теплообменников разной формы и конфигурации, систем рециркуляции части охлажденных дымовых газов в топочную камеру, приспособлениями для изменения угла наклона горелок и т. д.

Паропроизводительность выпускаемых промышленностью вертикально-водотрубных котлов составляет от 2,5 до 640 т/ч наряду с прямоточными котлами от 250 до 2500 т/ч, они применяются в различных котельных установках. Горизонтально-водотрубные котлы сняты с производства.

Изобретателем котла считается исследователь из Франции Дени Папен. Первые котлы имели вид цилиндра диаметром 75—120 см. Принцип их действия основывался на том, что при прохождении продуктов сгорания топлива через трубы, омываемые водой, образовывался пар, энергия которого впоследствии преобразовывалась в механическую энергию.

Водотрубный котел был изобретен в 1829 г. Джорджем Стефенсоном и М. Сеганом независимо друг от друга. Дальнейшие модификации водотрубных котлов связаны с именами Гарни Голдуотера, Якоба Перкинса.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.