Классификация паровых котлов

По способу организации движения рабочей среды в поверхностях топочных экранов все конструкции паровых котлов разделяются на три типа: с прямоточным движением (рис. 2, а), с естественной циркуляцией (рис. 2, б) и с принудительной циркуляцией (рис. 2, в). Движение воды в поверхности экономайзера и пара в пароперегревателе во всех паровых котлах однократное (прямоточное) и происходит за счет избыточного давления, создаваемого питательным насосом перед входом воды в паровой котел.

Рис. 2. Схема водопарового тракта котла:

а – прямоточного, б – барабанного с естественной циркуляцией,
в – барабанного с принудительной циркуляцией;

П.Н. – питательный насос, РПК – регулятор питания котла, ЭК – экономайзер,
т.э. – топочные экраны, Пе – пароперегреватель, П.П. – перегретый пар,
ОП – опускные трубы, НПЦ – насос принудительной циркуляции, Б – барабан, Пр – вывод из барабана части воды (продувка)

Прямоточный паровой котел. Прямоточный котел характеризуется последовательным включением и однократным прохождением рабочей средой всех поверхностей нагрева (рис. 2, а). Вода, поступающая в экономайзер, с практически тем же расходом проходит одним ходом, поверхности, включая топочные экраны, полностью испаряется и в виде перегретого пара покидает котел и по паропроводу направляется к турбине. В такой конструкции котла при переменных режимах работы и меняются размеры зон нагрева и испарения воды и нагрева пара, что влияет на выходные параметры пара (прежде всего его температуру). Известная стабилизация параметров обеспечивается поддержанием постоянного соотношения между расходом топлива (тепловыделением) и расходом воды. Ввиду этого прямоточный котел требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования

В паровых котлах сверхкритического давления переход рабочей среды из состояния воды в состояние пара по мере получения теплоты характеризуется плавным изменением плотности, теплоемкости и других физических показателей среды, которые постепенно приближаются к характеристикам пара. Эта зона преобразования воды в пар называется зоной фазового перехода. При движении воды и пара возникают гидравлические сопротивления, которые преодолеваются избыточным напором питательного насоса.

Компоновка поверхностей нагрева в прямоточном паровом котле показана на рис. 3. Поверхность экономайзера в конвективной шахте обеспечивает нагрев поступающей из турбинного отделения питательной воды до температуры, близкой к насыщению при рабочем давлении воды. После прохождения поверхности экономайзера питательная вода поступает в нижние коллекторы топочных экранов.

Окончательный догрев воды до кипения происходит в топочном экране (радиационный экономайзер). Полное экранирование стен топочной камеры достигается в этом случае соединением нескольких самостоятельных панелей из труб, по которым организуется последовательное движение рабочей среды. По высоте топочная камера разделяется на две или три части (на рис. 3 две таких части) с перемешиванием потока рабочей среды (выравниванием температур). В каждой из частей конструкция экранирующих панелей может быть различной.

В прямоточном котле экранируются панелями из пароперегревательных труб также боковые стены горизонтального газохода, поворотной камеры и потолочное перекрытие котла, после чего на котлах большой мощности поступает в полурадиационную (ширмовую) поверхность, в которой плоские ширмы созданы большим числом труб малого диаметра в одном ряду. Затем пар поступает в конвективную змеевиковую поверхность перегревателя, состоящую из поперечных рядов труб, многократно согнутых U‑образно, откуда пар, достигший окончательной температуры, направляется в паровую турбину.

Рис. 3. Конструкция прямоточного парового котла:

обозначения те же, что и на рис. 1, кроме того: 13 – ширмовой пароперегреватель, 14 – дутьевой вентилятор, 15 – колонны котла,
16 – крепежные балки, 17 – подвески поверхностей котла

Отсутствие необходимости отделения пара от воды в рабочем тракте котла позволяет использовать его не только при докритическом, но и при сверхкритическом давлении рабочей среды. В связи с этим прямоточные котлы являются универсальными, применимыми для любых давлений пара и в настоящее время широко используются в энергетике.

Паровые котлы с естественной циркуляцией. Отличительной конструктивной особенностью такого котла является наличие барабана (рис. 2, б), выполняющего роль сепаратора пара из потока пароводяной смеси, поступающей в него из топочных экранов.

Барабан котла вместе с системой необогреваемых опускных труб, выходящих из него, и подъемных (экранных) труб внутри топочной камеры образует замкнутый циркуляционный контур, в котором при горении топлива в топке организуется движение воды (опускные трубы) и пароводяной смеси (подъемные трубы). Движение рабочей среды происходит за счет возникновения естественного напора, определяемого разностью гидростатических давлений массы воды и пароводяной смеси в опускных и подъемных трубах и названного движущим напором естественной циркуляции:

(1)

где , – соответствующая плотность воды в опускных трубах и средняя плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, кг/м³,
g – ускорение свободного падения, м/с²; – высота паросодер­жащей части контура, м.

При относительно небольшой разности плотностей воды и пароводяной смеси необходимый движущий напор получают увеличением в высоту контура циркуляции.

Конструктивное выполнение парового котла с естественной циркуляцией показано на рис. 4. В этом типе котла вода после конвективного экономайзера поступает в барабан и там смешивается с котловой водой, циркулирующей в замкнутом контуре. Опускные трубы выходят из нижней части барабана и подают котловую воду в нижние коллекторы топочных экранов. Далее, поступая в интенсивно обогреваемые трубы, вода частично испаряется, и отделившийся затем в барабане насыщенный пар поступает, в поверхности пароперегревателя.

Возникающий в контуре циркуляции движущий напор обеспечивает движение рабочей среды в подъемных трубах с небольшой скоростью (около 1 м/с), при этом за один проход через подъемные трубы происходит частичное испарение воды (от 0,03
до 0,25 кг/кг), поэтому полное испарение исходного 1 кг воды произойдет при многократном прохождении контура. Отношение массового расхода циркулирующей воды G₀, кг/с, к количеству образовавшегося пара в единицу времени D, кг/с, называется кратностью циркуляции:

. (2)

В паровых котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции обычно составляет от 10 до 30. Таким образом, расход воды в контуре циркуляции в K_Ц раз больше паропроизводительности котла.

Рис. 4. Котельная установка с барабанным паровым котлом
при сжигании твердого топлива:

1 – барабан, 2 – опускные трубы из барабана, 3 – экранные подъемные трубы,
4 – экономайзер, 5 – пароперегреватель, 6 – воздухоподогреватель,
7 – горелочное устройство, 8 – пароохладитель, 9 – указатель уровня воды,
10 – манометр, 11 – предохранительный клапан, 12 – главная паровая задвижка, 13 – углеразмольная шаровая барабанная мельница, 14 – сепаратор пыли,
15 – пылевой циклон, 16 – транспортер сырого угля, 17 – бункер сырого угля, 18 – питатель сырого угля, 19 – клапан для пропуска угля и пыли,
20 – бункер пыли, 21 – регулятор подачи пыли, 22 – мельничный вентилятор,
23 – короб горячего воздуха, 24 – воздухозаборник, 25 – дутьевой вентилятор,
20 – скруберный золоуловитель, 27 – дымосос, 28 – дымовая труба,
29 – шлакоприемник, 30 – канал шлако- или золоуловителя, 31 – колонны каркаса котла, 32 – непрерывная продувка из барабана, 33 – продувка нижних коллекторов поверхностей нагрева, 34 – трубопровод питательной воды,
35 – питательный регулирующий клапан

Паровые котлы с принудительной циркуляцией. В паро­образующих трубах можно организовать принудительное движение рабочей среды за счет специального насоса, установленного на опускных трубах. Такие агрегаты получили название котлов с принудительной циркуляцией (рис. 2, в). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает напор естественной циркуляции. Это позволяет увеличить скорость движения и располагать парообразующие трубы в топке любым образом (наклонно, горизонтально), исходя из размещения котла в ограниченных по высоте помещениях, и более удобно его конструировать. Повышается надежность циркуляции рабочей среды в экранных трубах. Однако значительным оказывается расход электроэнергии на привод насоса принудительной циркуляции, поэтому в этом случае уменьшают значение кратности циркуляции до K_Ц = 3–5.

Наличие в двух последних типах паровых котлов барабана-сепаратора насыщенного пара позволяет использовать их только при докритическом давлении, обычно не более р = 18 МПа. Отечественная энергетика базируется на применении двух типов паровых котлов: прямоточных и с естественной циркуляцией.
В зарубежной практике наравне с прямоточными широко используются котлы с принудительной циркуляцией.

Питательная вода, поступающая в котел с температурой
230–270 °С после регенеративного нагрева паром из отборов турбины и термической обработки в деаэраторе с целью удаления агрессивных газов, содержит небольшое остаточное количество взвешенных и растворенных веществ. В прямоточном котле ДКД по мере движения воды в трубах топочных экранов увеличивается паросодержание потока и соответственно повышается концентрация примесей в оставшейся воде, в результате чего начинается выпадение твердой фазы на внутренних стенках труб (накипь из солей жесткости, окислы металлов, прежде всего железа). Малая теплопроводность отложений (в десятки раз меньше теплопроводности стали) ухудшает теплоотдачу от стенки к воде, и при интенсивном обогреве труб возможен их перегрев. Под воздействием внутреннего давления это может принести к разрыву труб.