Общие сведения о котельных установках

Котельная – комплекс зданий и сооружений, помещение с котлом (теплогенератором) и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенным для выработки теплоты в целях теплоснабжения [6].

Центральная котельная – котельная, предназначенная для нескольких зданий и сооружений, связанных с котельной наружными тепловыми сетями.

Автономная (индивидуальная) котельная – котельная, предназначенная для теплоснабжения одного здания или сооружения.

Крышная котельная – котельная, располагаемая (размещаемая) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.

Котел – это комплекс устройств для получения пара или для нагрева воды под давлением за счет тепловой энергии, образующейся в топке от сжигания топлива, при протекании технологического процесса или преобразовании электрической энергии в тепловую. Котел может включать полностью или частично следующие компоненты

· топку;

· пароперегреватель;

· экономайзер,

· воздухоподогреватель;

· каркас;

· обмуровку;

· тепловую изоляцию;

· обшивку.

По назначению котельные классифицируются так:

· энергетические снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию и обычно входящие в комплекс электрической станции;

· отопительно-производственные сооружаются на территории промышленных предприятий и обеспечивают тепловой энергией системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения здания и тех­нологические процессы производства;

· отопительные предназначены для тех же целей, что и производственно-отопительные, но обслуживают только жилые и общественные здания. Такое деление котельных установок объясняется санитарными нормами и характером работы.

По размещению котельные подразделяются на:

· отдельностоящие;

· пристроенные к зданиям другого назначения;

· встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;

· крышные.

Устройство котельных, пристроенных к жилым зданиям, зданиям детских яслей-садов, школ, больниц и поликлиник, санаториев, учреждений отдыха, детских оздоровительных лагерей, а также котельных, встроенных в здания указанного назначения не допускается.

Технологическая схема и компоновка оборудования котельной должны обеспечивать:

· оптимальную механизацию и автоматизацию технологических процессов;

· безопасное и удобное обслуживание оборудования;

· установку оборудования по очередям;

· наименьшую протяженность коммуникации;

· оптимальные условия для механизации ремонтных работ;

· возможность въезда напольного транспорта (автопогрузчиков, электрокаров) для транспортирования узлов оборудования и трубопроводов при производстве ремонтных работ.

При невозможности обслуживания оборудования с применением инвентарных устройств в этих целях допускается предусматривать стационарные грузоподъемные механизмы (тали, тельферы, подвесные краны).

Автоматизация технологических процессов индивидуальных котельных должна обеспечить их безопасную эксплуатацию без присутствия обслуживающего персонала.

Проектирование котельной, согласно [6], начинается с выявления характера тепловых потребителей, определения требуемого количества теплоты, выбора необходимого теплоносителя и его параметров. На основании этих данных устанавливаются производительность котельной, ее тип (па­ровая, водогрейная или смешанная) и выбирается основное и вспомогательное оборудование.

Для отпуска теплоты в виде горячей воды для отопления, горячего водоснабжения жилых и производственных зданий проектируются котельные с водогрейными котлами. Если требуется отпуск теплоты в виде пара, то проектируются котельные с паровыми котлами, которые могут иметь установку с пароводяными подогревателями и отпускать потребителям горячую воду. Обычно паровые котельные применяют только на промышленных предприятиях, которым требуется пар для производственных нужд.

В соответствии с [6] выбор типа и количества котлоагрегатов производится в зависимости от категорий надежности котельных и теплоснабжения.

По надежности отпуска теплоты потребителям котельные относятся к первой категории, если они являются единственными источниками теплоты в системе теплоснабжения и обеспечивают потребителей первой категории надежности, не имеющих индивидуальных резервных источников теплоты. Ко второй категории относятся все остальные котельные.

Целесообразно устанавливать однотипные котлы с одинаковой производительностью. В котельных первой категории должна предусматриваться установка не менее двух котлов, в котельных второй категории допускается установка одного котла. Максимальное количество котлов, устанавливаемых в котельной, определяется на основании технико-экономических расчетов. При проектировании котельных учитывается возможность использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) близлежащих промышленных предприятий.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. При установке паровых котлов дополнительно предусматривают конденсатные баки, насосы для перекачки конденсата и теплообменники.

Котельные средней и большой мощности отличаются сложностью оборудования и составом служебно-бытовых помещений. Кроме котлов, насосов и тягодутьевых устройств они имеют дополнительные поверхности нагрева (экономайзер и воздухоподогреватель), оборудование для водоподготовки, топливоподающие и шлакоудаляющие устройства, теплообменники, устройства автоматики и др.

Размеры помещений котельной определяются габаритами размещаемого в них оборудования с соблюдением требований, обеспечивающих удобство монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Как правило, все котлы располагают фронтом по прямой линии параллельно наружной стене, в которой имеются окна.

Проходы между котлами принимают не менее 0,7 м.

Расстояние между фронтом котлов и противоположной стеной принимается в зависимости от вида топлива, способа его подачи в котельную, типа котлов и их раз­мещения. Для котлов с механическими топками это Расстояние должно быть 2 м. При сжигании газа и мазута расстояние от выступающих частей горелок до стены котельной должно быть не менее 1 м. Расстояние между котлами производительностью до 4 т/ч принимается равным 1–1,5 м, а производительностью более 4 т/ч – не менее 2 м.

Для обслуживания арматуры и контрольно-измерительных приборов в котельной устанавливают площадки и лестницы с металлическими ограждениями высотой 1 м. Ширина площадок и лестниц 600 – 800 мм.

Высоту помещений котельной следует принимать такой, чтобы удалять избыточное тепло, влагу и газ из рабочей зоны, но не менее 3,2 м.

Помещение оборудуют соответствующей вентиляцией. Удаление избыточного тепла и газа обеспечивается дутьевыми вентиляторами, забирающими воздух из верхней зоны котельной и подающими его в топку котла.

Дымососы устанавливают после золоуловителей, для предотвраще­ния износа их металлических поверхностей частицами летучей золы.

В отопительных котельных малой и средней мощности применяются водогрейные и паровые котлы различных типов и конструкций. В свою очередь котлы делятся на чугунные и стальные.

Основными показателями водогрейного котла являются:

· тепловая мощность, то есть теплопроизводительность Q;

· температура воды t.

Основными показателями парового котла являются:

· паропроизводительность D;

· давление Р;

· температура t.

Экономичность котла оценивается его коэффициентом полезного действия (КПД), который для всех типов чугунных котлов, работающих на твердом топливе, равен 0,6–0,7 %, а при работе на газообразном топливе – 0,8–0,85 %.

По производительности паровые котлы могут быть малой (до 25 т/ч), средней (35 – 220 т/ч) и большой (свыше 500 т/ч) производительности. По тепловой мощности водогрейные котлы могут быть малой (до 2 МВт), средней (4 – 30 МВт) и высокой (50 – 210 МВт) мощности.

Паровой котел – устройство, обогреваемое продуктами сжигаемого в топке топлива и предназначенное для получения пара давлением выше атмосферного, который используется вне самого устройства.

Водогрейный котел– устройство, обогреваемое продуктами сжигаемого в топке топлива и предназначенное для нагревания воды, которая находится под давлением выше атмосферного и используется в качестве теплоносителя вне самого устройства.

Котельная установка состоит из системы труб поверхностей нагрева, объединенных барабанами и камерами. Собственно котел предназначен для получения насыщенного пара (у паровых котлов) и нагрева воды до заданной температуры (у водогрейных котлов).

Топочные устройства – это комплекс горелочных или механических устройств, предназначенный для превращения внутренней энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

В пароперегревателе происходит перегрев насыщенного пара до заданной температуры за счет тепла продуктов сгорания.

В водяном экономайзере питательная вода нагревается за счет дополнительного использования тепла дымовых газов и направляется в собственно котел с температурой, близкой к температуре насыщения.

Воздухоподогреватель предназначен для интенсификации и повышения устойчивости процесса сгорания топлива, а также дальнейшего использования тепла продуктов сгорания, то есть служит для подогрева воздуха перед его поступлением в топку.

Каркас котла – металлическая конструкция, с помощью которой его отдельные элементы объединяются в заданной компоновке.

Обмуровка котла предназначена для отделения топочной камеры и газоходов котла от окружающей среды.

Арматура (задвижки, вентили, клапаны и т. д.) служит для управления работой котла и обеспечения нормальных условий его эксплуатации.

Гарнитурой называются устройства для обслуживания газоходов и токи котла (лазы, люки, гляделки, взрывные клапана и др.).

Котельно-вспомогательное оборудование предназначено для подачи воздуха в топку и отсоса продуктов сгорания, приготовления и транспортирования топлива, очистки дымовых газов, удаления золы и шлака, водоподготовки и питания котла водой. По трубопроводам котельных установок транспортируются пар, вода, мазут, химические реагенты и другие вещества.

Процесс сжигания топлива и производство пара рассмотрим на при­мере работы котла КЕ 10-14С (рис. 4). В паровом котле имеются два продольно расположенных барабана – верхний 2 и нижний 3, соединенных большим количеством труб конвективного пучка 9. Топочная камера 1 образована плотными боковыми экранными трубами 8, завальцованными в верхний барабан и вваренными в нижние коллекторы 13. Для уменьшения потерь топка котла разделена на две части: собственно топку 1 и камеру догорания 7.

В топку уголь поступает из угольного бункера 4 через пневмомеха­нический забрасыватель 5 на колосниковую решетку обратного хода 6, которая движется к фронту котла; под нее вдувается воздух, необходимый для горения топлива. По мере движения решетки топливо сгорает, шлак собирается в бункере 12, а образовавшиеся дымовые газы выходят из топ­ки через камеру догорания, омывая трубы конвективного пучка, неодно­кратно меняя направление.

В верхний барабан подогретая питательная вода поступает из эко­номайзера, опускается по обогретым слабо дальним трубкам конвективно­го пучка 9 в нижний барабан, откуда уже в виде пароводяной смеси по ближним подъемным трубам возвращается в верхний барабан. При этом происходит конвективная передача тепла от нагретых газов воде. Затем от пара отделяются капельки воды с помощью специально устроенного сепарационного потолка 14. Полученный насыщенный пар уходит в паропровод и направляется потребителям.

Котел оборудуют водяным экономайзером, который устанавливается за испарительными конвективными поверхностями нагрева. Он предназначен для подогрева питательной воды за счет использования тепла дымовых газов, перед поступлением ее в котел, что повышает экономичность котлоагрегатов. В котельных установках применяются в основном два типа экономайзеров: чугунные ребристые и стальные змеевиковые.

Рис. 4. Процесс сжигания топлива и производство пара на примере работы котла КЕ 10-14С: 1 – топочная камера; 2 – верхний барабан котла; 3 – нижний барабан котла; 4 – угольный бункер; 5 – пневмомеханический забрасыватель; 6 – колосниковая решетка обратного хода; 7 – камера догорания; 8 – трубы боковых экранов; 9 – трубы конвективного пучка; 10 – горелки; 11 – дымосос; 12 – шлаковый бункер; 13 – нижние коллекторы; 14 – сепарационный потолок; 15 – экономайзер; 16 – подача воздуха

В современных паровых котлах организуется факельное сжигание топлива в камерной топке, представляющей собой призматическую вертикальную шахту.

Котельный агрегат – это устройство, имеющее систему поверхностей нагрева, для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путем использования теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива (рис. 5). Факельный способ сжигания характеризуется непрерывным движением топлива вместе с воздухом и продуктами сгорания в топочной камере 11. Топливо и необходимый для его сжигания воздух вводятся в топку котла через специальные устройства – горелки 10 [3].

В верхней части топка соединяется горизонтальным газоходом 16 с призматической вертикальной шахтой (иногда – с двумя), называемой по основному виду происходящего в ней теплообмена конвективной шахтой 22. В топке, горизонтальном газоходе и конвективной шахте находятся поверхности нагрева 14 – топочные экраны, выполняемые в виде системы труб, в которых движется рабочая среда.

В зависимости от преимущественного способа передачи теплоты по­верхностям нагрева их можно подразделить на следующие виды: радиационные, т. е. теплота передается в основном излучением; радиационно-конвективные, т. е. теплота передается излучением и конвекцией примерно в равных количествах; конвективные, т. е. теплота передается в основном конвекцией.

По принципу движения потоков теплоносителя (воды или пара) котлы разделяются на три группы: с естественной циркуляцией воды; с многократной принудительной циркуляцией воды; прямоточные котлы, в которых осуществляется однократная принудительная циркуляция (в этих котлах нет барабанов), котлы этой группы могут быть паровыми и водогрейными [11].

Теплопроизводительность парового котла измеряется в т/ч, по пару – в кг пара/ч, а водогрейного котла – в миллиардах калорий (гигакалорий) в час (Гкал/ч). Номинальной паропроизводительностью котла называется наибольшая паропроизводительность, которую котел должен обеспечить в длительной эксплуатации при номинальных величинах параметров пара и питательной воды.

Номинальная паропроизводительность котлов, рассчитанных на давление Р_абс = 14 атм, принимается при температуре пара 250 °С, котлов, рассчитанных на давление Р_абс = 24 атм – при температуре пара 425 °С.

Номинальным давлением пара (кг/см²) называется наибольшее допустимое рабочее давление пара непосредственно за главным парозапорным устройством при номинальной паропроизводительности парового котла.

Номинальной температурой пара (°С) принято называть температуру пара непосредственно за главным парозапорным устройством парового котла при его номинальном давлении, номинальной температуре питательной воды и паропроизводительности.

Номинальной температурой питательной воды называется температура воды, принятая перед её входом в экономайзер или (при отсутствии такового) в барабан котла.

Всякий котел с естественной циркуляцией заполняется водой до определенного уровня. При этом объем барабана, заполненный водой, называют водяным, а объем, лежащий выше уровня воды, – паровым пространством.

Поверхность воды в барабане котла называется зеркалом испарения.Линию соприкосновения обмуровки с обогреваемой частью барабана котла принято называть огневой линией. Во избежание перегрева металла барабана котла низший уровень воды в нем должен находиться на 100 мм выше огневой линии.

Пылеприготовление

Серьезные недостатки слоевого сжигания топлива в котлах средней и большой мощности (ограниченная мощность механических решеток, их громоздкость, высокая стоимость и др.) привели к идее о сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии. Этот метод позволяет с успехом сжигать все виды топлива, в том числе многозольные. При этом достигаются полная механизация и автоматизация топочного процесса. Мощность камерных топок является практически не ограниченной, что позволяет использовать их достаточно широко [11].

Для приготовления угольной пыли применяются три основные схемы: с промежуточным пылевым бункером (рис. 6, а), индивидуальная схема пылеприготовления без промежуточного бункера (рис. 6, б) и с шахтно-мельничной установкой (рис. 6, в). Они используются как для сухих, так и для влажных видов топлива. Первая схема нашла широкое применение в больших энергетических установках с котлами паропроизводительностью 100 т/ч и более. Для котлов теплопроизводительностью до 100 т/ч применяется упрощенная схема пылеприготовления без промежуточного бункера.

Угольная пыль характеризуется двумя основными качественными показателями: тонкостью помола и влажностью. Теплоносителем для её сушки и транспортирования является горячий воздух. При повышенной влажности топлива с большим выходом летучих горючих веществ в качестве сушильного агента применяется смесь горячего воздуха с топочными газами, что обеспечивает более высокую температуру и снижает опасность взрываемости угольной пыли.

Пылеприготовление по схеме (рис. 6, а) производится следующим образом: дробленое свежее топливо из расходного бункера поступает на автоматические весы 3, которые взвешивают топливо и выдают в бункер 4. Отсюда оно питателем 5 подается в сушильную трубу 6, где предварительно подсушивается, а далее поступает в шаровую барабанную мельницу 7. Вместе с топливом вмельницу вводится горячий воздух из воздухоподо­гревателя 17.

в

Рис. 6. Схема пылеприготовления: а – с промежуточным бункером; б – индивидуального пылеприготовления без промежуточного бункера; в – с шахтно-мельничной установкой; 1 – бункер угля; 2 – отсекающий шибер; 3 – автоматические весы; 4 – весовой бункер; 5 – питатель угля; 6 – устройство для сушки топлива; 7 – мельница; 8 – сепаратор; 9 – циклон; 10 – шнек для раздачи пыли по бункерам других котлов; 11 – пылевой (промежуточный) бункер; 12 – питатель пыли; 13 – мельничный вентилятор; 14 – котел; 15 – пылеугольная горелка; 16 – короб вторичного воздуха; 17– воздухоподогре ватель; 18 – дутьевой вентилятор; 19 – сепарационная шахта; 20 – короб вторичного воз-

духа; 21– верхние шлицы; 22 – выход горячих газов из муфельной горелки (нижние шлицы); 23 – муфельная горелка; 24 – подвод горячего воздуха; 25 – шахтная мельница

В мельнице топливо размалывается под ударами множества чугунных шаров весом от 10 до 160 т и диаметром 30 – 50 мм, падающих на слой топлива. При вращении барабана мельницы эти шары поднимаются по внутренней стенке барабана. Барабан мельницы диаметром от 2 до 4 м и длиной от 2,65 до 11 м облицовывается внутри стальными бронированными плитами, предохраняющими его от быстрого износа. Скорость вращения барабана мельницы – 18 – 25 об/мин, мощность электродвигателя – от 125 до 2500 кВт; расход электроэнергии на размол – до 25 кВт·ч/т пыли.

В мельнице за счет горячего воздуха топливо окончательно подсушивается и в виде пылевоздушной смеси под действием мельничного вентилятора 13, создающего разрежение, поступает в сепаратор 8, где крупные фракции отделяются от пыли и возвращаются обратно в мельницу. Далее пылевоздушная смесь поступает вциклон 9, в котором происходит отделение пыли от воздуха. Слабозапыленный воздух из циклона забирается мельничным вентилятором 13 и в виде первичного воздуха подается в топку. Пыль через мигалку, установленную на выходе из циклона (на схеме не показана), поступает в промежуточный пылевой бункер 11.

Далее при помощи питателя 12 она подается в пылепровод, по которому воздухом, подаваемым мельничным вентилятором, транспортируется к пылеугольным горелкам 15 и далее в топку 14. Вторичный горячий воздух, необходимый для горения, подается к горелкам от короба 16, который воздухопроводами соединен с воздухоподогревателем. По бункерам других котлов пыль распределяется шнеком 10.

Процесс пылеприготовления по схеме без промежуточного бункера (рис. 6, б) аналогичен описанному. В схеме имеются недостатки: полная зависимость работы котла от работы мельниц, большой износ мельничного вентилятора и неравномерное распределение пыли по горелкам.

Наиболее простой является схема с шахтно-мельничной установкой (рис. 6, в) с применением горячего воздуха для сушки пыли.

Из расходного бункера дробленое свежее топливо самотеком поступает к питателю 5, который непрерывно в определенном количестве подает его в шахтную мельницу 25. Иногда между расходным бункером топлива и питателем устанавливают автоматические весы для взвешивания топлива. Одновременно с топливом в мельницу подается горячий первичный воздух 24, который кроме сушки используется также и для транспортирования готовой пыли в топку.

Для обеспечения определенной тонины помола шахтные мельницы снабжаются сепарационными шахтами 19. Сепарация пыли происходит за счет поддержания определенной скорости движения пылевоздушной смеси. Крупные фракции пыли, отделившиеся от остальной массы смеси, падают обратно в мельницу для дальнейшего размола.

Вторичный воздух, необходимый для горения, подводится в топку через верхние 21 и нижние 22 шлицы.

Наряду с простотой пылеприготовления шахтные мельницы имеют существенный недостаток: трудность получения необходимой тонины помола при изменении нагрузки котлоагрегата. Для устранения этого недостатка сепарационные шахты оборудуются жалюзийными решетками, устанавливаемыми под углом 35 °, с поворотными лопатками, угол поворота которых меняется от 30 º до 65 º.

Однако это хотя и позволяет улучшить режим пылеприготовления, вызывает дополнительное сопротивление пылевоздушной смеси, а при работе на влажном топливе приводит к забиванию решеток.

В шахтно-мельничных топках можно сжигать сравнительно мягкое топливо: каменные угли с выходом летучих веществ более 30 %, бурые угли с зольностью на сухую массу до 40 % и рабочей влажностью до 55 – 58 %, фрезерный торф и сланцы.

Расход электроэнергии на размол топлива в шахтно-мельничных топках почти в 1,5 раза меньше, чем на размол в шаровых барабанных мельницах.