ППУ_02-03

Лекции 2-3.

Конструктивные особенности и принцип действия различных типов паровых котлов.

1. Огнетрубные паровые котлы

Огнетрубными называют такие паровые котлы, в которых продукты сгорания топлива движутся внутри труб, омываемых снаружи водой.

В зависимости от компоновочной схемы огнетрубных котлов различают:

•оборотные огнетрубные котлы, в которых топки и дымогарные трубы размещены параллельно друг другу, а газы в них движутся в противоположных направлениях (рис. 4.а, б);

•пролетные огнетрубные котлы, в которых топка и дымогарные трубы размещены последовательно и газы в них движутся в одном направлении

(рис. 4.в).

Конструкция оборотного огнетрубного котла показана на рис. 3. Основные элементы огнетрубного котла размещены внутри корпуса и дымовой коробки. Корпус представляет собой цилиндр с приваренными к нему передним и задним днищами. В переднем днище выполнены отверстия для крепления дымогарных труб, жаровой трубы и длинных анкерных связей, а в заднем – для крепления коротких и длинных анкерных связей.

Жаровая труба (топка) выполняется диаметром 700 ÷ 1200 мм и длиной 1800 ÷ 2500 мм и имеет круглое поперечное сечение. Количество жаровых труб, в зависимости от паропроизводительности котла, может быть от одной до трех. Жаровые трубы огнетрубных котлов работают в тяжелых условиях и имеют, как правило, гофрированную поверхность, обеспечивающую тепловые расширения и самоочистку трубы от накипи. Наиболее напряженные участки жаровой трубы защищаются кольцами из огнеупорного кирпича. В жаровой трубе происходит сгорание топлива, распыливаемого через форсунку, в струе воздуха, подаваемого через

воздухонаправляющее устройство – ВНУ, и образование горячих газов.

Огневая камера служит для догорания топлива, не успевшего сгореть в топке, поворота газов и направления их в дымогарные трубы котла. Передняя стенка огневой камеры представляет собой трубную доску, в которой закреплены дымогарные трубы. Как правило, каждая топка (жаровая труба) имеет свою индивидуальную огневую камеру и пучок дымогарных труб.

1

1	3	15	16	17	18	19	1	2

4

14

9

5

13

6

2

12

8

20

11

10

7

9

8

7

6

3

4

5

Рис. 3. Конструкция оборотного огнетрубного котла.
1	– корпус; 2 – заднее днище; 3 – длинные анкерные связи; 4 – потолочные скобы; 5 – короткие анкерные связи; 6 – огневая камера;
7	– огнеупорные кольца; 8 – жаровая труба (камера сгорания);		9 – дымогарные трубы; 10 – воздухонаправляющее устройство;
11 – форсунка; 12 – дымовая коробка;		13 – пароперегреватель;	14 – воздухоподогреватель; 15 – выброс дымовых газов; 16 – переднее
днище; 17 – отбор насыщенного пара;		18 – паросборная труба;	19 – отбор насыщенного пара в пароперегреватель; 20 – лаз.

Дымогарные трубы соединяют огневую коробку с дымовой коробкой и составляют основную часть поверхности нагрева котла. Внутри дымогарных труб проходят горячие продукты сгорания, нагревают стенки труб и передают свое тепло воде, омывающей их с наружной стороны. Дымогарные трубы имеют диаметр 50 ÷ 70 мм при толщине стенок 2,5 ÷ 4,5 мм. Некоторые дымогарные трубы выполняются бóльшим диаметром, с увеличенной толщиной стенки и образуют дополнительные связи, повышающие прочность конструкции огнетрубного котла. Площадь поверхности нагрева огнетрубных котлов составляет от 15 м2 у однотопочных котлов, до 230 м2 − у трехтопочных котлов. На горячих наружных поверхностях стенок дымогарных труб, огневой камеры и жаровой трубы образуются паровые пузырьки, отрываются от стенок поверхностей нагрева, всплывают через толщу воды, и образовавшийся пар собирается в верхней части корпуса парового котла. Часть пара через паросборную трубу поступает в пароперегреватель. Насыщенный пар отбирается на потребители из верхней части корпуса котла, а перегретый пар – из пароперегревателя.

Продукты сгорания, пройдя через дымогарные трубы и отдав часть теплоты на испарение воды, собираются в дымовой коробке, откуда направляются в дымовую трубу. Часто, с целью более полного использования теплоты продуктов сгорания, в дымовой коробке размещают трубную систему пароперегревателя и воздухоподогреватель.

Корпус огнетрубного котла заполняется питательной водой с таким расчетом, чтобы вода покрывала все поверхности нагрева и огневую камеру с учетом возможных кренов и дифферентов судна. Расход воды, испарившейся в котле, восполняется подачей свежей питательной воды в корпус котла.

Кроме рассмотренной выше конструкции оборотного котла существуют другие типы огнетрубных котлов. Наиболее распространенные компоновочные схемы огнетрубных котлов показаны на рис. 4.

Вертикальный огнетрубный котел с горизонтальными трубами (рис. 4.б) имеет цилиндрический вертикальный корпус. Прямые дымогарные трубы расположены горизонтально. В огневой камере предусмотрены съемные щитки, упрощающие чистку поверхностей нагрева.

Вертикальный огнетрубный котел с вертикальными трубами (рис. 4.в) широко распространен в качестве вспомогательного на судах зарубежной и отечественной постройки. Котел имеет вертикальный цилиндрический корпус и вертикальные прямые дымогарные трубы, соединяющие топку с дымовой коробкой.

3

ДГ	ЗИ		П	2	1	ДГ		П	ЗИ
									1
4						4			2
									7
					8				8
	В
Т							В		3
						Т
					ПВ	6	5		ПВ
6	5	а		9				б
						ЗИ		ДГ	П
1 − корпус котла; 2 − дымогарные трубки;									4
3 − топка (камера сгорания);			4 − дымовая коробка;
5 − воздухонаправляющее устройство;									1
6 − топливная форсунка; 7 – съемные щитки;
8 – огневая камера;		9 – жаровая труба.							2
ПВ − подача питательной воды;									3
Т − подача топлива;							В
В − подача воздуха;						Т
П − отбор насыщенного пара;
ДГ − выброс дымовых газов;									ПВ
ЗИ – зеркало испарения.						6	5
								в
Рис. 4. Компоновочные схемы огнетрубных паровых котлов:
а − оборотный огнетрубный котел;
б − вертикальный огнетрубный котел с горизонтальными трубами;
в − вертикальный огнетрубный котел с вертикальными трубами.

Огнетрубные котлы имеют следующие характеристики:

-паропроизводительность: D = 0,5 ÷ 6,5 т/ч;

-параметры пара: pK = 1,5 ÷ 1,8 МПа (15 ÷ 18 кгс/см2);

- КПД:	t ПЕ = 300 ÷ 320 оС;
	70 ÷ 75 %.

(при использовании дополнительных хвостовых поверхностей нагрева: водяного экономайзера и воздухоподогревателя, КПД огнетрубного котла можно довести до значения 82 ÷ 83 %).

Огнетрубные котлы обладают следующими преимуществами:

-большой аккумулирующей способностью, благодаря чему давление пара и уровень воды при резких изменениях нагрузки меняются очень незначительно;

4

-большим относительным водосодержанием: количество воды в котле в несколько раз превышает его часовую производительность, поэтому с момента прекращения питания котла водой до падения уровня воды до нижнего допустимого предела проходит достаточно много времени;

-невысокими требованиями к качеству питательной воды, так как основная поверхность нагрева, образованная дымогарными

трубами, омывается газами относительно невысокой температуры

700 ÷ 850оС;

-простотой обслуживания и долговечностью.

Кнедостаткам огнетрубных котлов можно отнести:

-невозможность получения пара давлением свыше 2 МПа (20 кгс/см2);

-длительную разводку (12 час и более) из-за жесткой конструкции котла и возникающих в процессе разводки значительных напряжениях в конструкционных материалах;

-неорганизованную циркуляцию воды, не позволяющую увеличивать паросъем с 1 м2 поверхности нагрева более чем на 0,007 кг/с и, вследствие этого, низкую паропроизводительность – до 1,8 кг/с;

-большую относительную массу;

-повышенные металлоемкость и трудоемкость изготовления;

-возможность взрыва из-за мгновенного вскипания большой массы воды, находящейся в корпусе котла.

Указанные недостатки послужили причиной того, что огнетрубные котлы в настоящее время не применяются на судах и кораблях в качестве главных, и используются только в качестве вспомогательных котлов.

2. Водотрубные котлы с естественной циркуляцией

Очень широкое применение в составе судовых и корабельных КТЭУ нашли водотрубные котлы с естественной циркуляцией. Они значительно легче и экономичнее огнетрубных котлов.

Водотрубными называют такие паровые котлы, у которых внутри труб, омываемых снаружи горячими продуктами сгорания топлива, циркулирует вода и пароводяная смесь.

В основе классификации морских водотрубных котлов с ЕЦ лежат следующие признаки:

•наклон труб к горизонту: по этому признаку различают горизонтальные котлы, у которых наклон труб не превышает 30о; и

вертикальные котлы, у которых наклон труб к горизонту составляет

45 ÷ 90о;

5

•количество коллекторов: на морских судах устанавливают одно-, двух-,

трех-, и значительно реже – четырехколлекторные котлы;

•количество поворотов (ходов) потока дымовых газов внутри пучков труб: различают одно- и трехходовые котлы;

•симметрия относительно вертикальной плоскости, проходящей через паровой коллектор: различают симметричные и асимметричные котлы;

•степень экранирования топки: современные котлы имеют, как правило, высокую степень экранирования топок;

•параметры вырабатываемого пара;

•особые конструктивные различия (наличие или отсутствие тех или иных поверхностей нагрева, количество топочных устройств и их расположение, форма топки и т.д.).

Паровой водотрубный котел с естественной циркуляцией (рис. 5) состоит из корпуса, включающего в себя два коллектора (паровой и водяной), и соединяющие их трубы испарительной поверхности нагрева.

Водяной коллектор полностью заполнен водой, паровой коллектор – примерно до половины. Уровень воды в паровом коллекторе поддерживается таким, чтобы не происходило оголения труб и срыва циркуляции воды с учетом возможных кренов и дифферентов судна. Пространство котла, заполненное водой, называется водяным, заполненное паром – паровым. Поверхность воды в паровом коллекторе, разделяющая водяное и паровое пространства, называется зеркалом испарения.

Жидкое топливо сгорает в топке, снабженной одной или несколькими форсунками. Воздух, необходимый для сгорания топлива, поступает в топку через воздухонаправляющие устройства. Теплота в виде высокотемпературного излучения факела воспринимается экранным пучком труб и первыми 3 ÷ 4 прореженными рядами конвективного парообразующего пучка (лучистый теплообмен). Горячие газы, образовавшиеся при сгорании топлива, направляются в газоход котла, омывая по ходу движения поверхности теплообмена: ряды труб конвективного парообразующего пучка, пароперегревателя, водяного экономайзера, и пройдя через трубы воздухоподогревателя выбрасываются

ватмосферу. При омывании поверхностей нагрева газы передают свою теплоту: на нагрев и испарение воды в конвективном испарительном пучке труб; на перегрев пара в пароперегревателе; на подогрев воды в экономайзере; на подогрев воздуха в воздухоподогревателе (конвективный

теплообмен). В процессе теплообмена температура газов снижается от 1800 ÷ 2000 оС в топке до 190 ÷ 500 оС на выходе из котла.

За счет излучающей способности факела и омывания горячими газами

втрубах экрана и конвективного парообразующего пучка происходит частичное испарение воды. Образовавшаяся в них пароводяная смесь поднимается в паровой коллектор. Пар собирается в верхней части

6

дымовые газы

воздух

от

ВП

вентилятора

воздух

в

перепускная

топку котла

труба

			DНАС
ЭК	ВК	ВСК	ЗИ
GПВ
газоход

Ф		паровой
		коллектор
трубная		ОП
система ПП
		смотровое
трубная		устройство
система ИСП
DПЕ		Э
		кожух
ГСК		котла
		топочное
		устройство
нижний	водяной	топка
коллектор ПП
	коллектор

Рис. 5. Схема и принцип действия водотрубного котла с естественной циркуляцией.

движение воды по опускным и подъемным трубам, пароводяной смеси по подъемным трубам, пара по трубам пароперегревателя;

излучение факела, воспринимаемое радиационными поверхностями нагрева; движение газов через поверхности нагрева котла.

ВП – воздухоподогреватель;	ЭК – водяной экономайзер; ПП – пароперегреватель;
ИСП – конвективный испарительный (парообразующий) пучок труб;		Э – экранный
пучок труб; ОП – опускной пучок труб; ГСК – главный стопорный клапан;
ВСК – вспомогательный стопорный клапан; ЗИ – зеркало испарения;		ВК – верхний
коллектор пароперегревателя;	Ф – футеровка котла (кладка из огнеупорного кирпича);

GПВ – подача питательной воды; DПЕ – отбор перегретого пара;

DНАС – отбор насыщенного пара.

7

парового коллектора и по перепускной трубе направляется в верхний коллектор пароперегревателя. Из верхнего коллектора по трубам пароперегревателя пар направляется в нижний коллектор. При движении пара по трубам пароперегревателя повышается его температура (происходит перегрев пара). Перегретый пар из котла отбирается на потребители через главный стопорный клапан, расположенный на нижнем коллекторе пароперегревателя. Насыщенный пар на потребители отбирается непосредственно из парового коллектора через

вспомогательный стопорный клапан котла.

Масса испарившейся воды восполняется поступлением свежей воды из питательного трубопровода. Предварительно, перед поступлением в паровой коллектор, питательная вода подогревается в экономайзере. В паровом коллекторе «холодная» питательная вода смешивается с котловой водой парового коллектора, и по опускным трубам, располагающимся в необогреваемой зоне за экранным пучком, опускается в водяной коллектор котла.

Трубы (экранный и конвективный испарительные пучки), по которым вода и пароводяная смесь поднимается из водяного коллектора в паровой, называются подъемными; трубы, по которым вода опускается вниз из парового коллектора в водяной, называются опускными.

Таким образом при работе котла с ЕЦ вода и пароводяная смесь постоянно движутся по замкнутому контуру: паровой коллектор – опускные трубы – водяной коллектор – подъемные трубы – паровой коллектор. Совокупность элементов котла, в которых осуществляется замкнутое движение воды и пароводяной смеси, называется контуром циркуляции, а само движение воды и пароводяной смеси по контуру циркуляции называется естественной циркуляцией.

Отношение веса воды, поступившего в подъемные трубы контура, к весу образовавшегося в них пара называется кратностью циркуляции:

K = GDВ

В физическом смысле кратность циркуляции показывает: сколько раз должен пройти по контуру циркуляции объем содержащейся в нем воды, чтобы полностью превратиться в пар при данной нагрузке (паропроизводительности) котла.

Значение кратности циркуляции в современных водотрубных котлах с ЕЦ обычно составляет от 40 – на минимальной нагрузке, до 4 – на максимальной.

Основной особенностью котлов с естественной циркуляцией является четкое разделение между собой поверхностей нагрева: экономайзерной, испарительной и пароперегревательной, с помощью коллекторов. При таком разделении экономайзерный, испарительный и перегревательный участки имеют строго фиксированные величины, не изменяющиеся при изменении нагрузки котла.

8

Основными преимуществами водотрубных паровых котлов с ЕЦ перед другими типами котлов являются:

-значительная стабильность в работе;

-относительно высокая надежность при работе на всех нагрузках;

-возможность сравнительно легкой и надежной автоматизации;

-возможность питания водой с пониженными показателями качества;

-простота отбора насыщенного и перегретого пара;

-быстрота ввода в действие (от трех часов до нескольких минут) и изменения нагрузки из-за малого относительного водосодержания и эластичности трубных систем, соединяющих коллекторы котла.

Указанные преимущества водотрубных котлов с естественной циркуляцией предопределили их широчайшее использование в качестве главных на судах и кораблях с КТЭУ.

Кнедостаткам водотрубных котлов с ЕЦ относятся:

-сравнительно большие массогабаритные показатели;

-ограничение предельно допустимого давления пара в судовых условиях – до 8,0 ÷ 9,0 МПа (80 ÷ 90 кгс/см2);

-ограничение дальнейшего улучшения маневренных качеств;

-соблюдение при проектировании определенных норм по уклону труб, диаметрам и компоновке испарительных поверхностей для обеспечения надежности ЕЦ;

-ограниченные возможности полного экранирования топок.

Семейство водотрубных котлов с ЕЦ насчитывает множество различных компоновочных схем и технических решений. Основными типами водотрубных котлов с ЕЦ, применяемых в судовых условиях, являются:

•секционные горизонтальные котлы;

•трехколлекторные одно- и двухпроточные котлы;

•двухколлекторные котлы;

•котлы шахтного типа.

Секционные горизонтальные водотрубные котлы

У водотрубных котлов секционного типа классификационным отличительным признаком является наклон труб к горизонту. Секционные котлы относятся к водотрубным котлам горизонтального типа и имеют следующую конструкцию (рис. 6):

К нижней части парового коллектора посредством коротких патрубков присоединен ряд водяных камер. Передняя и задняя камеры вместе с соединяющими их прямыми испарительными трубами образуют секцию котла. Количество секций парообразующей части определяется паропроизводительностью котла и длиной парового коллектора. Вода, поступающая из парового коллектора в передние камеры, распределяется по трубам секции, где от воздействия горячих газов частично

9

7	ДГ	D	1
			GПВ
	ЗК
			2
			3

ПК

В
6	Т
5	4

1	– паровой коллектор;	2	– патрубок;
3	– испарительные трубы;
4	– форсунка; 5 – ВНУ;		6 – топка;
7	– пароотводящая труба;
ПК – передняя камера;		ЗК – задняя камера;

Т– подача топлива;

В– подача воздуха;

ДГ – отвод дымовых газов;

GПВ – подача питательной воды; D – отбор пара из котла.

Рис. 6. Схема водотрубного горизонтального секционного котла

превращается в пар. Пароводяная смесь собирается в задней камере и по пароотводящей трубе поступает в паровой коллектор. Для облегчения выхода пароводяной смеси испарительные трубы устанавливают под углом не менее 15о к горизонту.

Секционные котлы, оснащенные пароперегревателем, располагаемым в газоходе котла, позволяют отбирать как насыщенный, так и перегретый пар; оснащенные экономайзером – производить предварительный подогрев питательной воды; оснащенные воздухоподогревателем – осуществлять подогрев воздуха перед подачей его в топку. Применение этих дополнительных поверхностей нагрева повышает экономичность котла и снижает потери теплоты.

Секционные горизонтальные водотрубные котлы с ЕЦ широко использовались в качестве главных в середине прошлого века, но из-за своих недостатков: малой надежности, сложности в эксплуатации, жесткости конструкции, малой степени экранирования топочного пространства, в качестве главных паровых котлов уже не применяются и используются в редких случаях в качестве вспомогательных на отдельных типах судов.

Трехколлекторные двухпроточные водотрубные котлы

В этих типах паровых водотрубных котлов с ЕЦ (рис. 7) паровой коллектор соединяется с двумя водяными коллекторами пучками парообразующих труб, в результате чего корпус котла имеет -видную форму.

Газы, образующиеся при сгорании топлива в топке, разделяются на два потока и омывают трубы двух испарительных пучков. Внутри трубных пучков испарительной части могут располагаться трубы пароперегревателя (как с одной, так и с обеих сторон). Если пароперегреватель расположен в одном газоходе, то котел относится к асимметричному типу (рис. 7.в, г);

10