7. КОНСТРУКЦИИ КОТЛОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
7.1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СОВРЕМЕННЫХ СУДОВЫХ КОТЛОВ
Изложенные в предыдущих разделах теоретические основы котловых процессов дают возможность перейти к рассмотрению характерных технических решений по организации рабочего процесса и обусловленных этими решениями конструктивных особенностей судовых котлов и их элементов. Конструктивные решения по организации рабочего процесса в водотрубных котлах с естественной циркуляцией принципиально остаются одинаковыми для всех их разновидностей. Главным элементом любого котла является корпус, который состоит из парообразующих поверхностей нагрева (экранов и конвективных пучков труб), элементов, обеспечивающих циркуляцию (опускные трубы, промежуточные коллекторы, внутриколлекторные выгородки), пароводяных барабанов и водяных коллекторов, объединяющих все элементы. Конструктивно корпуса водотрубных котлов могут различаться количеством контуров циркуляции (а следовательно, водяных коллекторов), формой и геометрическими параметрами элементов поверхностей нагрева и опускных труб, организацией движения дымовых газов в газоходе и характером смывания труб. В зависимости от назначения в котле могут предусматриваться пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогреватели. Однако все эти конструктивные различия отдельных элементов котлов не меняют принципа организации их рабочего процесса. Эти же соображения в полной мере относятся и к огнетрубным котлам.
Сказанное позволяет при рассмотрении конструкций котлов тех или иных типов давать подробное описание только одного котла, наиболее полно отражающее современные тенденции развития, и указывать наиболее характерные конструктивные особенности остальных разновидностей котлов данной группы.
В настоящее время на судах морского транспортного флота эксплуатируется более 2000 вспомогательных котлов, работающих на жидком топливе, почти столько же утилизационных котлов и только 20 главных котлов (на паротурбинных судах, постройка которых прекращена). Средний возраст котлов достигает 20 лет и колеблется в пределах 2 - 40 лет.
Вспомогательные водотрубные котлы на эксплуатирующихся судах занимают доминирующее положение -около 60 % всех котлов. Огнетрубные и огнетрубно-водотрубные котлы составляют примерно по 20 %, котлы отечественной постройки - более 30 % всех котлов, польской постройки - 20 %, финской - 17 %, германской (бывшей ГДР) - 15 %, постройки бывших социалистических стран (Болгарии, Румынии, Югославии, Венгрии) - более 10 %, остальные - постройки других зарубежных стран (Японии, Италии, Франции, ФРГ и др.). При этом ведущие поставщики котлов специализируются на изготовлении: водотрубных котлов - Россия и Германия; огнетрубных котлов (в том числе комбинированных) - Финляндия и Польша; огнетрубно-водотрубных котлов - Польша. Остальные страны на построенных ими судах устанавливают котлы различных типов, изготовленных на своих заводах или поставляемых фирмами других стран.
Утилизационные котлы используются: 94 % в системах обычной утилизации теплоты (в теплофикационных установках) и 6 % в системах глубокой утилизации теплоты. При этом водотрубные утилизационные котлы составляют 88 % всех УК, остальные - огнетрубные (в том числе комбинированные). Из 88 % водотрубных УК 80 % составляют котлы с принудительной циркуляцией, причем 60 % - цилиндрической компоновки и 20 % - прямоугольной. Основными изготовителями утилизационных котлов, как и вспомогательных, являлись СССР (34 %), Польша (23 %), ГДР (19 %) и Финляндия (11 %), другие страны (13 %).
7.2. ГЛАВНЫЕ ВОДОТРУБНЫЕ КОТЛЫ
Секционные котлы. В основном такие котлы установлены на судах давней постройки, где в качестве главного двигателя использовалась паровая машина (на рыбопромысловых судах рыбного флота еще и сейчас эксплуатируются СЭУ с паровыми машинами). На судах транспортного флота секционные котлы используют только как вспомогательные.
Основные особенности конструкции секционного котла хорошо видны на рис. 7.1, а. Корпус
котла состоит из основного контура циркуляции, включающего пароводяной барабан 1, волнистые водяные 2 и пароводяные 9 камеры, соединенные парообразующими трубами 3. Пароводяная смесь из камеры 9 отводится в барабан по трубам 10. Петлевой горизонтальный пароперегреватель 4 расположен внутри пучка за тремя рядами парообразующих труб большого диаметра. Второй контур циркуляции образован опускными трубами 5, вертикальными водяным 6 и пароводяным 8 коллекторами, которые соединены наклонными трубами боковых экранов 7, а пароводяная смесь из коллектора 8 отводится в барабан по трубе 10. Котел оборудуется экономайзером или воздухоподогревателем 11.
Секционные котлы имеют существенные недостатки (жесткость конструкции, обусловленная прямыми парообразующими трубами; сложность изготовления волнистых камер; большое число лючков в камерах; низкая экономичность и невысокие параметры пара; ненадежная циркуляция), что привело к замене их на более совершенные однопроточные и вертикально-водотрубные котлы.
Рис. 7.1. Принципиальные схемы компоновок главных котлов.
Однопроточные котлы. Секционные котлы на морских судах заменили однощюточными водотрубными уже в конце 40-х годов. Типичными представителями этих котлов являются главные однопроточные водотрубные котлы, установленные на сухогрузных судах типа "Сергей Боткин" (рис. 7.1, б). Экранный циркуляционный контур состоит из однорядного экрана 7, двух опускных труб, расположенных за пределами топки, водяного экранного коллектора б и пароводяного барабана 1. Второй контур циркуляции: конвек-тивный пучок 3, необогреваемые опускные трубы в межобшивочном пространстве, водяной коллектор 4 и барабан 1. Пароперегреватель 5 -петлевой, горизонтальный, водяной экономайзер 2 - змеевиковый из ошипованных труб. В пароводяном барабане установлены циклоны, в которых вода отделяется от пара.
Отечественные котлостроители в конце 50-х годов создали однопроточные водотрубные котлы типов КВГ25К и КВГ34К, которые использовались на сухогрузных судах серии "Ленинский комсомол" и танкерах типа "София". В то время это были высокоэкономичные (КПД 93 %) и достаточно надежные котлы.
По компоновке (рис. 7.1, в) основных элементов котлы КВГ25К и КВГ34К подобны. Корпус состоит из двух контуров циркуляции. Первый из них образован опускными трубами 3, боковым экраном 4 и притопочным пучком 2 парообразующих труб, замыкающихся на пароводяной барабан 1 и водяной экранный коллектор 5. Второй контур циркуляции состоит из подъемных труб конвективного пучка 8, опускных труб, расположенных за пределами газохода (в межобшивочном пространстве), водяного коллектора 7 и пароводяного барабана 1. В котле применен вертикальный одноколлекторный петлевой пароперегреватель 6, гладкотрубный змеевиковый экономайзер 9 и воздухоподогреватель. Различия этих котлов в том, что у котла КВГ25К установлены односекционный экономайзер 9 и газовый воздухоподогреватель 10, а у котла КВГ34К - четырехсекционный экономайзер и паровой воздухоподогреватель. Суда, на которых были установлены эти котлы, отработали свыше нормативного срока службы и по разным причинам выведены из состава морского транспортного флота.
Конструктивные особенности современных однопроточных водотрубных котлов рассмотрим на примере главного котла КВГ5 (котел водотрубный, главный паропроизводительностью 50 т/ч), установленного на лихтеровозе "Севморпуть" с ядерной энергетической установкой. Котел (рис. 7.2) обеспечивает работу ГТЗА при выключенном реакторе.
В корпусе котла расположен один контур циркуляции, который состоит из пароводяного барабана 12 и водяного коллектора 25, соединенных подъемными парообразующими трубами конвективного пучка 24 и экрана 28 и опускными трубами 29. За конвективным пучком находится вертикальный пароперегреватель, состоящий из верхнего 17 и нижнего 23 коллекторов, соединенных трубами 22. Насыщенный пар из барабана 12 подводится к верхнему коллектору по сообщительной трубе 16. Перегретый пар отводится также от верхнего коллектора. Для обеспечения требуемой скорости пара (около 10 м/с) в трубах пароперегревателя в верхнем коллекторе установлены две поперечные перегородки, а в нижнем - одна.
Между конвективным пучком 24 и пароперегревателем 22 предусмотрено пространство (пазуха) 21, обеспечивающее свободный доступ для механической очистки труб и ремонта сажеобдувочных устройств 19 и трубной опоры (гребенки) 20. В барабане 25 размещен паровой подогреватель 26, обеспечивающий требуемый температурный режим котловой воды для поддержания котла в состоянии готовности к быстрому пуску. Питательная труба 15 в барабане 12 размещена таким образом, чтобы обеспечивать надежный подвод воды к опускным трубам 29. При этом труба выгорожена, что исключает попадание паровых пузырей из подъемных труб пучка 24 и экрана 28 в опускные 29. В водяном барабане 25 предусмотрен обтекатель 27, улучшающий подвод воды из опускных труб 29 в подъемные 28 и 24. На фронте котла размещены три горелки 30. Воздух подводится в патрубок 14, омывает часть двойной обшивки котла, поступает в воздухоподогреватель 18, из которого горячий воздух направляется в воздушный короб горелок.
На барабане 12 установлен сдвоенный предохранительный клапан 3 с импульсным клапаном 4 к нему, питательные клапаны 11 и водоуказательные приборы 13. На коллекторе пароперегревателя также размещены предохранительный 8 и импульсный 10 клапаны. В одном корпусе клапана 11 смонтированы разобщительный и невозвратный клапаны. Насыщенный пар из барабана 12 подводится в коллектор 6 пароперегревателя по сообщительной трубе 5, на которой предусмотрен клапан 2 для выпуска воздуха во время ввода котла в действие. Перегретый пар отводится через сто-
порный клапан 9 на верхнем коллекторе пароперегревателя. Патрубки 1, 7 служат соответственно для входа воздуха и отвода уходящих газов.
Рис. 7.2. Главный котел КВГ5 атомного лихтеровоза “Севморпуть”
Котел КВГ5 имеет следующие основные показатели при полной расчетной нагрузке: паропроизводительность 50 тыс. кг/ч, рабочее давление в пароводяном барабане 2,8 МПа (за стопорным клапаном пароперегревателя 2,5 МПа); температура перегретого пара 357 "С; расход топлива (мазут М40 с GHP = 40 тыс. кДж/кг) 3920 кг/ч, КПД 85,6 %; температура питательной воды 105 "С; поверхность нагрева котла парообразующая 481,2, пароперегревателя 422, воздухоподогревателя 410 м2; конвективный пучок, экран и пароперегреватель выполнены из труб диаметром 29x3 мм, опускные трубы диаметром 57x3,5 мм, трубы воздухоподогревателя 38x1,6 мм; объем топки 34 м3; масса котла сухого 80 т, с холодной водой 90 т.
При указанных расчетных паропроизводительности и параметрах может быть обеспечена мощность ГТЗА около 4780 кВт (при отключенной основной АППУ), скорость судна в чистой воде при этом 10 уз; при полной нагрузке АППУ мощность ГТЗА составляет 29420 кВт, а скорость 20 уз. Лихтеровоз типа ЛЭШ (Leigter Aboard Ships -лихтер на борту) имеет водоизмещение 61 тыс. т, грузовместимость 74 лихтера, или 1330 контейнеров (стандартного размера 6,1 м). Для обеспечения реверсирования судна с главной паротурбинной установкой используется ВРШ диаметром 7,3 м, что позволяет исключить применение специальной турбины заднего хода и упростить ГТЗА.
Котлы с промежуточным перегревом пара имеют некоторые принципиальные особенности по сравнению с обычными однопроточными котлами. Повышение параметров пара, а также требование высокой экономичности главных котлов потребовали внесения конструктивных изменений в общую их компоновку. Так, в современных котлах с промежуточным перегревом пара отсутствует конвективный пучок парообразующих труб, и пар генерируется только в экранных поверхностях нагрева, в связи с чем такие котлы называют котлами радиационного типа.
Топка котла полностью экранирована и имеет потолочное расположение топочных устройств. Большие объемы топки и подобное расположение горелок обеспечивают эффективное сжигание топлива с малыми избытками воздуха (а = 1,03 - 1,05), что позволяет уменьшить температуру точ-
ки росы дымовых газов и повысить КПД до 96 - 97 %. При этом значительно увеличиваются размеры хвостовых поверхностей нагрева. Особенно это относится к воздухоподогревателю, поскольку размеры экономайзера ограничиваются применением развитой системы регенеративного подогрева питательной воды (вне котла) до температуры 220 - 230 0С. Применение промежуточного перегрева пара в паротурбинных установках потребовало дополнительного усложнения главных котлов путем установки в газоходе поверхности промежуточного пароперегревателя. Главные котлы такого типа имеют большие размеры, сложную конструкцию и высокую стоимость изготовления, поэтому в современных СЭУ применяют только один главный котел и один вспомогательный более простой конструкции.
На ходовом режиме танкера при скорости судна 17 уз полная паропроиз-водительность главного котла 80 тыс. кг/ч. Параметры пара: за стопорным клапаном давление 8 МПа, температура 515 °С, за промежуточным перегревателем температура 515 "С; рабочее давление в пароводяном барабане 9 МПа; масса котла (без воды) около 300 тыс. кг, масса воды 18 тыс. кг.
На рис. 7.1, г приведена схема компоновки главного котла КВГ80/80 танкера типа "Крым" (эксплуатируется шесть таких танкеров). Корпус котла состоит из трех контуров циркуляции, образующих полностью экранированную топку с потолочным расположением горелок 2. Первый контур образован опускными трубами 4, подъемными трубами бокового экрана 5 и центрального экрана 6, замкнутыми на продольный водяной коллектор экрана 9 и пароводяной барабан 1. Два других контура циркуляции образованы подъемными трубами двух фронтовых экранов 7, опускными трубами, расположенными за пределами газохода, двумя поперечными экранными коллекторами 8, промежуточным (сборным) пароводяным коллектором 3 и пароводяным барабаном 1. Центральный экран отделяет топку от шахты котла, в которой расположены две секции основного пароперегревателя 10, промежуточный (вторичный) пароперегреватель 11, водяной экономайзер 12 и трехходовой (по газовой стороне) воздухоподогреватель 13. На входе воздухоподогревателя (по воздушной стороне) расположен подогреватель воздуха 14, повышающий его температуру на входе в последний (холодный) ход газов с целью предотвратить низкотемпературную коррозию. Промежуточный пароперегреватель состоит из двух последовательно включенных (по схеме противотока) секций 11, между которыми размещены элементы системы регулирования температуры пара. В рассечку пароперегревателя 10 включен внутрибарабанный пароохладитель системы регулирования температуры перегретого пара. В пароводяном барабане установлен также вспомогательный пароохладитель, обеспечивающий охлажденным паром турбоприводные вспомогательные механизмы.
Накопленный опыт постройки и эксплуатации котлов типа КВГ позволил отечественной промышленности широко использовать полученные данные при создании вспомогательных водотрубных котлов с естественной циркуляцией для теплоходов с мощными дизелями и газотурбинными установками.
Принудительный ток воды осуществляется в котлах с искусственной циркуляцией и в прямоточных. В зависимости от давления, при котором сжигается топливо в топке, котлы могут быть обычными и высоконапорными (с наддувом). В процессе наддува жидкое топливо сжигается в топке при избыточном давлении 0,1-0,4 МПа и выше. Причем котлы, как обычные, так и с наддувом могут иметь естественную циркуляцию и принудительный ток воды. И те, и другие имеют преимущества перед обычными котлами.
Известны две основные конструктивные разновидности агрегатов с искусственной циркуляцией: типа Ла Монт и Велокс, причем Велокс является одновременно и высоконапорным котлом, так как в его топке топливо сжигается под давлением. Название котла происходит от латинского слова "велокс" - быстрый, так как агрегат можно быстро пустить (примерно за 10 - 20 мин).
Для создания искусственной циркуляции воды в обоих агрегатах необходим специальный циркуляционный насос, работоспособность которого определяет по существу надежность всей установки. Условия работы насоса весьма тяжелы, так как он должен подавать в парообразующие элементы воду с температурой, близкой к температуре кипения. Следовательно, наличие этого циркуляционного насоса значительно снижает надежность работы.
Котлы с искусственной циркуляцией имеют и другие существенные недостатки. У агрегата типа Ла Монт для равномерного распределения воды в экранных поверхностях нагрева необходимо устанавливать на входе в каждую трубу специальные дроссельные шайбы с разными диаметрами,