Загальні характеристики котлів

В промисловості і на теплових електростанціях широкого поширення одержали котли для вироблення водяної пари різних параметрів з природною або примусовою циркуляцією. Інколи для отримання пари використовують котли особливої конструкції і спеціалізованого призначення: котли з проміжними теплоносіями; котли з тиском в газовому тракті; реактори і парогенератори атомних електростанцій; котли, які використовують теплоту газів технологічних і енерготехнологічних агрегатів і ін. Стаціонарні котли, призначені для виробництва пари, яка використовується технологічними і побутовими споживачами, а також в турбоагрегатах для виробництва електроенергії, стандартизовані по параметрах і потужності (ГОСТ 3619-82). Передбачається виробництво наступних стаціонарних котлів:

- котли низького тиску з природною і примусовою циркуляцією, зокрема котли з тиском пари 0,88 МПа (9 кг/см²), продуктивністю 0,16-1 т/год насиченої пари, температура живильної води 50°С; пар використовується виробничими і побутовими споживачами;

- котли середнього тиску, до яких відносяться котли з природною циркуляцією з тиском пари для виробництва насиченої і слабоперегрітої пари тиском 1,36 МПа (14 кгс/см²), продуктивністю 2,5-160 т/год і температурою живильної води 105°С;

- котли з природною циркуляцією для виробництва насиченої і слабоперегрітої пари з тиском 2,36 МПа (24 кгс/см²), продуктивністю 50-160 т/год і температурою живильної води 105°С;

- котли середнього тиску 3,9 МПа (40 кгс/см²), з природною циркуляцією, які виробляють перегріту пару з тиском 3,9 МПа (40 кгс/см²), температурою 440 °С, продуктивність цих котлів 10-160 т/год при температурі живильної води 150°С;

- котли високого тиску з природною і примусовою циркуляцією продуктивністю 220-820 т/год. Ці котли виробляють перегріту пару з тиском 9,8 МПа (100 кгс/см²), температурою 540 °С при температурі живильної води 215 °С;

- котли високого тиску - 13,8 МПа (140 кгс/см²), температура перегрітої пари 540-560 °С, продуктивність 210-1000 т/год, температура живильної води 215 °С;

- котли надкритичного тиску прямоточні, продуктивністю 1000-3950 т/год, які виробляють пару з тиском 25 МПа (255 кгс/см²), з температурою перегрітої пари 540-560 °С, температура живильної води 270 °С.

Позначення типів котлів: з природною циркуляцією - Е, з проміжним перегрівом - ЕПр, прямоточні - П, з проміжним перегрівом - ППр.

До основних параметрів парових котлів ГОСТ відносять номінальну продуктивність D, кг/с; номінальний тиск пари р, МПа (кгс/см²); температуру перегрітої пари t_п.п, °С; номінальну температуру живильної води t_ж.в, °С; ККД брутто.

Перший ступінь енергетичних параметрів пари (3,90 МПа, 440°С) прийнятий, виходячи з можливості виконання пароперегрівача і ступенів високого тиску турбіни з вуглецевої сталі. Температура труб пароперегрівача має бути не вище 500°С. Тиск 3,90 МПа прийнятий по умові допустимої кінцевої вологості пари в ступенях низького тиску турбіни 10-12%.

Тиск 9,80 МПа відповідає максимально допустимій при прийнятій температурі 540 °С вологості пари в турбіні, яка в цьому випадку не перевищує 12 %.

Параметри 13,8 МПа, 560°С вибрані, виходячи з умов можливого підвищення початкового тиску за наявності проміжного перегріву пари і збереженні при цьому допустимої кінцевої вологості пари. Значення надвисоких параметрів пари визначаються умовами надійної роботи сучасних легованих марок стали. Ведуться роботи по використанню пари і вищих параметрів. Відомі установки з тиском пари 29,4 МПа і температурою 600 °С.

Котли для виробництва пари високого і надкритичного (25 МПа) тиску призначаються для теплових електростанцій середньої і великої потужності. Шкали тиску і продуктивності енергетичних котлів в ГОСТ прийняті відповідно параметрам пари і потужності стандартизованих турбоагрегатів, виходячи з встановлення одного-двох котлів на турбоагрегат.

Стандартизація параметрів пари і потужності стаціонарних котлів дозволила організувати серійне виробництво енергетичного устаткування, що істотно зменшило вартість виготовлення котлів і необхідного для них допоміжного устаткування, а також забезпечило використання найбільш раціональних рішень в енергетиці.

В промисловості переважно використовуються котли з природною і примусовою циркуляцією, які принципово розрізняються лише організацією гідродинаміки у випарних поверхнях нагріву. Схеми організації руху води, пароводяної суміші і пари в цих котлах показані на рис. 1.

Рис. 1. Типи котлів:

а) барабанний з природною циркуляцією; б) з багатократно примусовою циркуляцією; в) прямоточний

1 - економайзер; 2 - випарні поверхні нагріву; 3 - пароперегрівач; 4 - повітропідігрівач; 5 - перехідна зона випарної поверхні нагріву; 6 - конвективний пароперегрівач; 7 - сепаратор пари

В котлах з природною циркуляцією (рис. 1 а) живильна вода подається насосом в економайзер, а з нього у верхній барабан. В процесі природної циркуляції, яка виникає у випарних поверхнях нагріву пароводяна суміш, що утворилася, прямує в барабан в якому відбувається розділення пари і води. З барабана пара прямує на перегрів в пароперегрівач і потім - до споживачів. При критичному тиску в котлі природна циркуляція неможлива. Ця умова, а також умови надійності циркуляції, збільшення маси і вартості конструкції по мірі підвищення тиску в котлі визначили використання котлів з природною циркуляцією при тиску до 13,8 МПа. Котли низького і середнього тиску переважно виконують з природною циркуляцією, що пояснюється в основному менш жорсткими вимогами до якості живильної води, простішою системою автоматизації процесів горіння і живлення та відсутністю витрат електроенергії на здійснення руху робочого середовища у випарній системі.

В котлах з багатократною примусовою циркуляцією (рис. 1 б) живильна вода подається насосом в економайзер і далі в барабан. У випарних поверхнях нагріву циркуляція здійснюється примусово за рахунок роботи насоса, включеного в контур циркуляції. Розділення пари і води відбувається в барабані, з якого пара прямує в пароперегрівач і далі до споживачів.

Котли з багатократною примусовою циркуляцією застосовують в основному для використання теплоти газів технологічних і енерготехнологічних агрегатів для виробництва пари низьких і середніх параметрів. При високому тиску в таких котлах ускладнюються конструкції і умови роботи циркуляційних насосів, які працюють на воді з температурою більше 300 °С. При тиску 13,8 МПа і вище на районних КЕС і ТЕЦ, як правило, використовують прямоточні котли. В прямоточних котлах (рис. 1 в) економайзер, випарна поверхня нагріву і пароперегрівач конструктивно об'єднані і проходячи їх послідовно вода нагрівається, випаровується і пар, який утворився, перегрівається, після чого прямує до споживачів. Повне випаровування води відбувається за час одноразового прямоточного проходження води у випарній частині поверхні нагріву. Відсутність барабана в прямоточних котлах високого тиску істотно (на 8-10%) знижує витрати металу на виготовлення котла в порівнянні з барабанним котлом такої ж потужності і тиску. Котли з тиском 25 МПа виконують лише прямоточними.

Існують численні конструкції усіх типів котлів, що визначається багатьма чинниками, які впливають на вибір того або іншого технічного рішення: параметрами пари, продуктивністю, видом палива і способом його спалювання, характеристикою живильної води, необхідними експлуатаційними показниками. Загальні тенденції розвитку конструкцій котлів визначаються вимогами підвищення надійності і економічності роботи, тобто збільшення ККД брутто і нетто, зниження питомих витрат металу, вартості виготовлення і монтажу, зменшення шкідливих викидів, забезпечення безпеки роботи і полегшення праці персоналу.