Характеристики и конструкции котлов

В промышленности и на тепловых электростанциях широко распространены котлы для выработки водяного пара различных параметров с естественной или принудительной циркуляцией. Иногда для получения пара применяют котлы особой конструкции и специализированного назначения: котлы с промежуточными теплоносителями, котлы с давлением в газовом тракте; реакторы и парогенераторы атомных электростанций; котлы, использующие теплоту газов технологических и энерготехнологических агрегатов, и пр.

Стационарные котлы, предназначенные для выработки пара, используемого технологическими и бытовыми потребителями, а также в турбоагрегатах для выработки электроэнергии, стандартизованы по параметрам и мощности (ГОСТ 3619-82). Предусматривается производство следующих стационарных котлов:

- котлы низкого давления с естественной и принудительной циркуляцией, в том числе котлы с давлением пара 0,88 МПа (9 кг/см²), производительностью 0,16—1 т/ч насыщенного пара, температура питательной воды 50°С; пар используется производственными и бытовыми потребителями;

- котлы среднего давления, к которым относятся котлы с естественной циркуляцией с давлением пара для выработки насыщенного и слабо перегретого пара давлением 1,36 МПа (14кгс/см²), производительностью 2,5÷160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;

- котлы с естественной циркуляцией для выработки насыщенного и слабо перегретого пара с давлением 2,36 МПа (24кгс/см²), производительностью 50—160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;

- котлы среднего давления 3,9 МПа (40кгс/см²), с естественной циркуляцией, вырабатывающие перегретый пар с давлением 3,9 МПа (40кгс/см²), температурой 440°С, производительность этих котлов 10÷160 т/ч при температуре питательной воды 150°С;

котлы высокого давления с естественной и принудительной циркуляцией производительностью 220÷820 т/ч. Эти котлы вырабатывают перегретый пар с давлением 9,8 МПа (100кгс/см²), температурой 540°С при температуре питательной воды 215 °С;

- котлы высокого давления - 13,8 МПа (140 кгс/см²), температура перегретого пара 540÷560°С, производительность 210÷1000 т/ч, температура питательной воды 215 °С;

- котлы сверхкритического давления прямоточные, производительностью 1000÷3950 т/ч, вырабатывающие пар с давлением 25 МПа (255 кгс/см²), с температурой перегретого пара 540÷560°С, температура питательной воды 270 °С.

Обозначение типов котлов: естественной циркуляцией — Е, с промежуточным перегревом — ЕП_Р, прямоточные — П, с промежуточным перегревом — ПП_Р.

К основным параметрам паровых котлов ГОСТ относит номинальную производительность D, кг/с; номинальное давление пара р, МПа (кгс/см²); температуру перегретого пара t_nn, °С; номинальную температуру питательной воды в, °С; КПД брутто.

Первая ступень энергетических параметров пара (3,90 МПа, 440 °С) принята, исходя из возможности выполнения пароперегревателя и ступеней высокого давления турбины из углеродистой стали. Температура труб пароперегревателя должна быть не выше 500°С. Давление 3,90 МПа принято по условию допустимой конечной влажности пара в ступенях низкого давления турбины 10÷12%. Давление 9,80 МПа соответствует максимально допустимой при принятой температуре пара 540 °С, влажности пара в турбине, которая в этом случае не превышает 12 %.

Параметры 13,8 МПа, 560°С выбраны, исходя из условий возможного повышения начального давления при наличии промежуточного перегрева пара и сохранении при этом допустимой конечной влажности пара. Значения сверхвысоких параметров пара определяются условиями надежной работы современных легированных марок стали. Ведутся работы по применению пара и более высоких параметров. Имеются опытные установки с давлением пара 29,4 МПа и температурой 600 °С.

Котлы для выработки пара высокого и сверхкритического (25 МПа) давления предназначаются для тепловых электростанций средней и большой мощности. Шкалы давления и производительности энергетических котлов в ГОСТ приняты соответственно параметрам пара и мощности стандартизированных турбоагрегатов, исходя из установки одного-двух котлов на турбоагрегат.

Стандартизация параметров пара и мощности стационарных котлов, введенная у нас еще в предвоенные годы, позволила организовать серийное производство энергетического оборудования, что существенно уменьшило стоимость изготовления котлов и необходимого для них вспомогательного оборудования, а также обеспечило применение наиболее рациональных решений в энергетике.

Преимущественно применяемые в промышленности котлы с естественной и принудительной циркуляцией принципиально различаются только организацией гидродинамики в испарительных поверхностях нагрева. Схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в этих котлах показаны на рис. 17.1.

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 17.1, а) питательная вода подается насосом в экономайзер, а из него в верхний барабан. В процессе естественной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, образовавшаяся пароводяная смесь направляется в барабан, в котором происходит разделение пара и воды. Из барабана пар направляется на перегрев в пароперегреватель и затем — к потребителям. При критическом давлении в котле естественная циркуляция невозможна. Это положение,' а также условия надежности циркуляции, увеличение массы и стоимости конструкции по мере повышения давления в котле определили применение котлов с естественной циркуляцией при давлении до 13,8 МПа. Котлы низкого и среднего давления преимущественно выполняют с естественной циркуляцией, что объясняется в основном менее жесткими требованиями к качеству питательной воды, более простой системой автоматизации процессов горения и питания и отсутствием затрат электроэнергии на осуществление движения рабочей среды в испарительной системе.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 17.1,6) питательная вода подается насосом в экономайзер и далее в барабан. В испарительных поверхностях нагрева циркуляция осуществляется принудительно за счет работы насоса, включенного в контур циркуляции. Разделение пара и воды происходит в барабане, из которого пар направляется в пароперегреватель и далее к потребителям.

Котлы с многократной принудительной циркуляцией применяют в основном для использования теплоты газов технологических и энерготехнологических агрегатов для выработки пара низких и средних параметров. При высоком давлении в таких котлах усложняются конструкции и условия работы циркуляционных насосов, работающих на воде с температурой более 300 °С. При давлении 13,8 МПа и выше на районных КЭС и ТЭЦ обычно применяют прямоточные котлы. В прямоточных котлах (рис. 17.1, в) экономайзер, испарительная поверхность нагрева и пароперегреватель конструктивно объединены и, проходя их последовательно, вода нагревается, испаряется и образовавшийся пар перегревается, после чего направляется к потребителям. Полное испарение воды происходит за время однократного прямоточного прохождения воды в испарительной части поверхности нагрева. Отсутствие барабана в прямоточных котлах высокого давления существенно (на 8÷10%) снижает затраты металла на изготовление котла по сравнению с барабанным котлом такой же мощности и давления. Котлы с давлением 25 МПа выполняют только прямоточными.

Имеются многочисленные конструкции всех типов котлов, что определяется многими факторами, влияющими на выбор того или иного технического решения: параметрами пара, производительностью, видом топлива и способом его сжигания, характеристикой питательной воды, требуемыми эксплуатационными показателями. Общие тенденции развития конструкций котлов определяются требованиями повышения надежности и экономичности работы, т. е. увеличения КПД брутто и нетто, снижения удельных затрат металла, стоимости изготовления и монтажа уменьшения вредных выбросов, обеспечения безопасности работы и облегчения труда персонала.