ПАРОВОЙ КОТЕЛ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Развитие конструкций котлов. Исто­рически развитие паровых котлов шло в направлении повышения паропроизводительности, параметров производимого пара (давления и температуры), надеж­ности и безопасности в эксплуатации, увеличения экономичности (КПД) и сни­жения массы металлоконструкций, при­ходящейся на 1 т вырабатываемого пара.

Исходным типом современных котлов был простой цилиндрический ко­тел (рис. 18.1, а), выполненный в виде горизонтального барабана с топкой под ним. Стенки барабана были одновремен­но и поверхностью нагрева. В дальней­шем увеличение поверхности нагрева шло по двум направлениям. В одном случае непосредственно в водяном пространстве барабана размещались большие и малые трубы; при этом большие одновременно являлись топкой (котлы с жаровыми тру­бами), а по малым пропускались продук­ты сгорания (котлы с дымогарными тру­бами). В другом случае к барабану при­соединялись дополнительные наружные трубные поверхности нагрева — кипя­тильные пучки, заполненные водой и обогреваемые топочными газами (водотрубные котлы).

Уменьшение диаметра труб этих по­верхностей и увеличение их количества вели к росту удельной поверхности на­грева (м²/м³ объема газохода). В котлах этого типа движение среды через кипя­тильный пучок труб обеспечивалось за счет естественной циркуляции: парово­дяная смесь в трубах кипятильного (ис­парительного) пучка, которая, естествен­но, легче воды, поднималась вверх, вы­тесняемая водой, поступающей из бара­бана по опускным трубам. Чтобы предотвратить образование пароводяной смеси в опускных трубах и уменьшить их сопротивление, увеличивали их диаметр по сравнению с подъемными — кипя­тильными (рис. 18.1,6) и уменьшали обогрев, располагая их в зоне более ни­зких температур продуктов сгорания (рис. 18.1, в). В дальнейшем опускные трубы вынесли за изоляционную стенку (обмуровку) котла (рис. 18.2). Исполь­зование вертикальных трубок в качестве кипятильного пучка (см. рис. 18.1, в) по­высило надежность циркуляции пароводяной смеси в них. Котлы этого типа получили название вертикально-водотрубных. Впоследствии вертикаль­ные (подъемные) трубы испарительной поверхности нагрева стали располагать и на стенах топки. Так появились экранные поверхности нагрева. (Название связано с тем, что они, выпол­няя свою основную функцию в качестве испарительной поверхности, еще и экра­нируют стены топки от излучения топоч­ного объема, препятствуя налипанию на них размягченного шлака и золы.) Вместо нижних барабанов в качестве коллекторов (рис. 18.2, 18.1,6), объединяющих трубы поверхностей на­грева и являющихся переходными эле­ментами между ними и опускными труба­ми, в котлах высокого давления исполь­зуются цилиндрические камеры (трубы) относительно небольшого диаметра. Ба­рабан постепенно перестал играть роль поверхности нагрева. Более того, стрем­ление повысить надежность работы кот­ла явилось причиной выноса барабана из зоны обогрева.

Целесообразность перегрева пара для энергетических установок (см. § 6.4) потребовала размещения специальных поверхностей нагрева — пароперег­ревателей. Так, к середине XX века оформилась принципиальная схема кон­струкции барабанного вертикально-водо­трубного котла с многократной естественной циркуляцией, имеющего эк­ранированную топку (рис. 18.2).

Устройство современного парового котла. Одна из схем котла с естественной циркуляцией приведена на рис. 18.2. Ба­рабанный паровой котел состоит из то­почной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, парово­дяной смеси, пара), воздухоподогревате­ля, соединительных трубопроводов и воз­духоводов.

Топливо подается к горелкам 7 (рис. 18.2). К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухопо­догревателе 5. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную каме­ру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы 1, расположенные на внутрен­ней поверхности стен топки. Это испари­тельные поверхности нагрева — экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С про­ходят через верхнюю часть заднего экра­на, трубы которого здесь разведены в два-три ряда, и омывают пароперегре­ватель 3. Затем продукты сгорания дви­жутся через водяной экономайзер, воз­духоподогреватель и покидают котел с температурой около 110—150°С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогрева­ется в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходя­щих газов), экономя тем самым теплоту сожженого топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испа­рительные поверхности подключены к ба­рабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют цирку­ляционный контур. В барабане происхо­дит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насы­щенный пар из барабана поступает в па­роперегреватель 3, перегретый пар на­правляется к потребителю.

Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как пра­вило, трубчатые. Лишь некоторые мощ­ные паровые котлы имеют воздухоподог­реватели иной конструкции.

Нижнюю трапециевидную часть топ­ки котельного агрегата называют холод­ной воронкой — в ней охлаждается вы­падающий из факела частично спекший­ся зольный остаток, который в виде шлака проваливается в специальное при­емное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки.

Газоход, в котором расположены во­дяной экономайзер и воздухоподогрева­тель, называют конвективным (конвек­тивная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовы­ми, позволяют снизить температуру про­дуктов сгорания от 500—700 °С после пароперегревателя почти до 100 ° С, т. е. полнее использовать теплоту сжига­емого топлива.

Вся трубная система и барабан котла поддерживаются каркасом, состоящим из колонн и поперечных балок. Топка и газоходы защищены от наружных теплопотерь обмуровкой — слоем огнеупор­ных и изоляционных материалов. С на­ружной стороны обмуровки стенки котла имеют газоплотную обшивку стальным листом с целью предотвращения присосов в топку избыточного воздуха и вы­бивания наружу запыленных горячих продуктов сгорания, содержащих ток­сичные компоненты. Для повышения на­дежности работы котла в ряде случаев движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре (барабан — опускные трубы — нижний коллектор — подъемные трубы — барабан) осуще­ствляется принудительно (насосом). Это — котлы с многократной принудительной циркуляцией.

Одними из последних являются кон­струкции прямоточных котлов с принудительным — при помощи пита­тельного насоса — движением воды, па­роводяной смеси и перегретого пара. Для этих агрегатов необходимость в бараба­не отпадает, и он не устанавливается. По прямоточной схеме работают также практически все водогрейные котлы, не имеющие ни испарительных, ни перегре­вающих поверхностей. Основные схемы движения потока вода — пароводяная смесь — пар в современных котельных агрегатах показаны на рис. 18.3.

В газоходах и топке котла за счет тяги специально устанавливаемого ды­мососа поддерживается разрежение. Оно не позволяет продуктам сгорания выби­ваться в атмосферу котельного цеха че­рез возможные неплотности обмуровки, через лючки и лазы.

Паровые котлы оснащаются система­ми дистанционного управления и автома­тизации, обеспечивающими надежную, безопасную и экономичную их работу.

На предприятиях страны установле­ны изготовленные отечественными заво­дами паровые котлы различных кон­струкций. Размеры паровых котлов так­же различны. Некоторые в собранном виде можно перевозить автомобильным транспортом; в то же время крупнейшие котлы тепловых электрических станций имеют высоту до 100 м.

Наиболее крупными из выпускаемых в настоящее время котлов являются энергетические. Их паропроизводительность достигает 4000 т/ч, а мощность питающейся от них турбины может до­ходить до 1200 МВт, давление пара — до 25 МПа, температура перегретого па­ра — до 560 °С.