Основы теплотехники





Котельные установки



Котельной установкой называют совокупность устройств для производства теплоты, горячей воды или пара заданных параметров и в требуемом количестве.

В зависимости от назначения котельные установки подразделяют на энергетические, производственно-технологические, а также отопительные.

котлы и котельные установки

Энергетические котельные установки обеспечивают паром паровые двигатели - паровые турбины и машины, в которых пар является рабочим телом, совершающим полезную работу в результате изменения параметров состояния. В энергетических котельных установках вырабатывается перегретый пар низкого давления до 3 МПа, среднего – до 10 МПа, высокого – до 14 МПа и сверхвысокого давления – до 25,5 МПа.

Производственно-технологические котельные установки вырабатывают пар для технологических нужд и отопления производственных помещений. Производственно-технологические котельные установки вырабатывают пар низкого давления 0,3…0,7 МПа и реже – до 1,3 МПа.

Тепловые (отопительные) котельные установки, как и следует из названия, обеспечивают теплотой отопительные, вентиляционные системы и установки горячего водоснабжения. Отопительные котельные установки вырабатывают пар с избыточным давлением 0,13…0,3 МПа.

Котельная установка состоит из котельного агрегата и ряда вспомогательных устройств.
Котельный агрегат является основной частью котельной установки.
В его состав входят топка, в которой сжигается топливо, котел и пароперегреватель, служащий для превращения поступающей в него воды в насыщенный пар.
К дополнительному оборудованию котельной установки можно отнести экономайзер для подогрева питательной воды, воздухоподогреватель для подогрева воздуха, поступающего в топку, дутьевой вентилятор, подающий воздух в воздухоподогреватель, обмуровка, уменьшающая потери теплоты в окружающую среду, различная арматура и гарнитура для обслуживания котельной установки и обеспечения безопасной работы котельного агрегата.
Кроме того, к оборудованию, обеспечивающему работу котельной установки, относятся: склады топлива, топливоподающие устройства, топливоподготовительные устройства (дробилки, сушилки, мельницы, бункеры, питатели и т. д.), устройства золо- и шлакоудаления, дымососы и дымовые трубы, водоподготовительные устройства (для удаления из воды примесей) и некоторые другие устройства.

Работа котельной установки заключается в получении насыщенного пара в котле путем сжигания топлива в топке; затем этот пар в пароперегревателе превращается в перегретый пар и далее направляется в паровую турбину или другим потребителям.

Основные требования, предъявляемые к котельной установке – безаварийность работы, легкое регулирование, высокая производительность, минимальная стоимость пара.
Основными показателями, характеризующими экономичность работы котельного агрегата, являются тепловой баланс и коэффициент полезного действия.

Тепловой баланс устанавливает соотношение между количеством теплоты, поступившей в котельный агрегат, и суммой израсходованной теплоты, которая слагается из полезно используемой теплоты (затраченной на получение пара) и неизбежных тепловых потерь.

Потери теплоты в котельной установке складываются из потерь с уходящими дымовыми газами (самые значительные потери тепла), потерь на химическую и механическую неполноту сгорания топлива, и потерь тепла в окружающую среду через обмуровку котельного агрегата.

Уменьшают потери тепла с уходящими газами путем снижения их температуры на выходе из котельного агрегата. Этого можно достичь, используя различные подогреватели, теплообменники и экономайзеры для нагревания воды, используемой для технологических и отопительных целей. Однако чрезмерное охлаждение дымовых газов нежелательно, поскольку это влечет за собой появление конденсата, вызывающего коррозию труб и металлических частей котельного агрегата. При этом коррозия увеличивается воздействием серной кислоты, образующейся в результате взаимодействия влаги с двуокисью серы SO2, содержащейся в продуктах сгорания.

Потери от химической неполноты сгорания чаще всего зависят от правильности выбора режима подачи воздуха в топку. Потери от механической неполноты сгорания зависят от вида и качества топлива, способа его сжигания и условий эксплуатации котельной установки.

Для характеристики экономичности котельного агрегата вводят понятие брутто-коэффициента полезного действия, который представляет собой отношение полезно использованной теплоты ко всей теплоте, полученной в результате сжигания топлива.
Обычно котельные установки имеют брутто-коэффициент полезного действия в пределах 0,7…0,93.

В водогрейных котельных агрегатах производится нагрев воды до требуемой температуры, которая затем по трубопроводам направляется потребителям с помощью насосных установок.

***



Классификация котлов

В зависимости от назначения котлы подразделяются на паровые и водогрейные.
Паровые служат для превращения воды в пар определенного давления с дальнейшим использованием его кинетической энергии.
Водогрейные котлы предназначены для получения горячей воды, которая может быть использована в системах теплоснабжения жилищно-коммунальных объектов, технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, объектов промышленного и бытового назначения. Применение паровых котлов для этих целей, как это реализовано во многих котельных, не рационально.

классификация котлов

Применяемые в настоящее время водогрейные котлы можно условно разделить по материалу изготовления на чугунные и стальные.

Чугунные котлы предназначены для нагрева воды до температуры не выше 95° C при давлении не выше 0,6 МПа. Теплопроизводительность таких котлов, как правило, не выше 1,0 МВт. Чугунные котлы обладают высокой коррозийной стойкостью, не требуют обмуровки и благодаря материалу-чугуну, имеют низкую стоимость.
Однако технологические свойства чугуна определяют также большую толщину, значительный вес, высокую склонность к загрязнению и даже взрывоопасность таких котлов.

В отличие от чугунных, стальные котлы, в целом, не имеют ограничений по температуре нагрева и давлению воды. Они значительно легче и более удобны для ремонта и обслуживания.
По конструктивному исполнению стальные котлы подразделяются на три основные группы - жаротрубно-дымогарные, водотрубно-дымогарные и водотрубные.
Принцип работы жаротрубно-дымогарных котлов построен на сгорании топлива в жаровых трубах, пронизывающих корпус котла, заполненный водой. Такие котлы не требуют обмуровки, могут работать без дымососа и не требовательны к качеству воды. Тем не менее, их отличает высокая металлоемкость и большие габариты, низкая надежность жаровых труб и высокая склонность дымогарных труб к забиванию золой. Все это ведет к усложнению эксплуатации и снижению КПД котла.

Стальные водотрубно-дымогарные котлы - это котлы, где топка ограждается трубными панелями и (или) стенами из обмуровочных материалов, а конвективная часть полностью или частично выполняется в виде дымогарных труб, помещенных в водяной объем. Такие котлы менее металлоемки и взрывоопасны и более надежны. Однако конструкция этих котлов допускает возможность больших присосов холодного воздуха в газоход, забивание дымогарных труб золой и предполагает высокую температуру уходящих газов при загрязнении труб и при форсировке котла.

Большинства этих недостатков лишены водотрубные котлы. Главное их отличие в организации движения воды и газов - вода движется внутри труб, а газы снаружи. Подобная конструкция позволяет достичь наибольшей интенсивности передачи тепла от газов к воде, а следовательно - наименьшую металлоемкость котла в целом. Кроме того, малый и рассредоточенный по трубам объем воды исключает возможность больших разрушений при взрыве труб.
Недостатки есть, конечно, и у такой системы - необходимость специального газоплотного ограждения и предварительной очистки воды - однако надежность и КПД котлов водотрубной конструкции значительно выше, чем у других.
Таким образом, наиболее эффективными для систем теплоснабжения являются водотрубные водогрейные котлы в газоплотном исполнении.

Нормативные требования к котлам содержатся в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», которые определяют требования к устройству, изготовлению и эксплуатации паровых котлов, пароперегревателей и экономайзеров с рабочим давлением более 0,07 МПа и водогрейных котлов с температурой роды выше 115° С и распространяются на: паровые котлы с топкой; котлы-утилизаторы; котлы-бойлеры; водогрейные котлы с топкой.

Паровой котел - это устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства.

Водогрейный котел - это устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне самого устройства.

Котел-утилизатор - это паровой или водогрейный котел, в котором в качестве источника тепла используются горячие газы технологического процесса.

Котел-бойлер - это паровой котел, в паровом пространстве которого размещено устройство для нагревания воды, используемой вне самого котла, а также паровой котел, в естественную циркуляцию которого включен отдельно стоящий бойлер.

маркировка и обозначение котлов

***

Техника безопасности при работе с котлами

Расчет паровых котлов на машиностроительных заводах выполняют только как поверочный при оформлении технической документации для ввода котла в эксплуатацию или для обоснования допустимости эксплуатации.
Расчет проводится по утвержденным нормативам.

Паровые и водогрейные котлы устанавливают в специальных помещениях - котельных, в которых предусматривается не менее двух выходов. От производственных помещений котельные изолируют несгораемыми стенками.
Кровля котельной выполняется легко сбрасываемой для того, чтобы она в случае взрыва не оказывала большого сопротивления взрывной волне.

Расстояние от верхней площадки для обслуживания котла до нижних конструктивных частей перекрытия котельной принимается не менее 3 м.
Между котлами должен быть свободный проход шириной не менее 1 м, а при боковом обслуживании топки - не менее 2 м.
Устройство котельных в полуподвальных помещениях допускается только при использовании водогрейных котлов с температурой до 100° С или паровых котлов с давлением менее 0,07 МПа.
Для большего удобства и безопасности обслуживания в котельных, по возможности, обеспечивается естественное освещение помещения и обязательно искусственное освещение.

Рассмотрим опасности, которые могут возникнуть при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, возможные последствия и меры по их устранению.
Наибольшую опасность представляет взрыв.

Под взрывом парового котла понимается такое нарушение целостности его стенок, при котором происходит мгновенное понижение внутреннего давления до величины внешнего.
При взрыве происходит мгновенное испарение воды, находящейся в котле под давлением и нагретой до температуры свыше 100° С, поскольку вследствие нарушения целостности стенок котла давление в нем понижается до атмосферного. При мгновенном испарении воды образуется огромное количество пара (1 л воды, переходя в пар, увеличивается в объеме примерно в 1700 раз), что и является причиной больших разрушений. Таким образом, опасен не пар, находящийся в паровом пространстве котла, а готовая в любое мгновение испариться, нагретая до температуры более 100° С вода, обладающая громадным запасом энергии.

Аварии паровых котлов могут возникнуть из-за недостатка в них воды, неисправности питателей и водоуказательных приборов, плохого знания правил техники безопасности кочегарами или слабой производственной дисциплины.

При недостатке воды в паровом котле происходит размягчение металла топочной части, в стенках котлов могут образоваться выпучины, которые приводят к разрыву стенки.
Представляет опасность образование и скопление накипи на отдельных элементах котла, которое наблюдается при нерегулярной чистке котлов. По этой причине может образоваться выпучина и возможен разрыв.
При попадании воды на перегретую до красного калeния стенку котла мгновенно образуется пар. Возникающее при этом на ограниченной перегретой и размягченной поверхности стенки котла высокое давление может вызвать ее разрыв.

Неудовлетворительный водный режим представляет опасность для котла по следующим причинам:

  • Накипь, образующаяся на стенках котла, имея низкий коэффициент теплопроводности, способствует перегреву стенок и размягчению металла.
  • Умягченная вода при значительной щелочности вызывает межкристаллитную коррозию, известную под названием каустической хрупкости.
  • Содержание в питательной воде кислорода и углекислого газа вызывает электрохимическую коррозию с образованием на поверхности окислов железа. Электрохимическую коррозию можно предотвратить удалением солей, кислорода и углекислого газа из питательной воды.
    Для предотвращения этого воду, поступающую в котел, предварительно обрабатывают для уменьшения образования накипи на стенках котла. Возможно и умягчение воды посредством ввода в котел умягчающих средств вместе с водой.

***

Предохранительные клапаны паровых и водогрейных котлов

Для предохранения котла от аварии в результате повышения давления применяют предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны не должны допускать превышения давления в котле свыше 10% от расчетного. Суммарная пропускная способность предохранительных клапанов должна соответствовать или превышать часовую производительность котла.

Предохранительные клапаны водогрейных котлов рассчитывают по формулам, учитывающим количество и размеры клапанов, тепловую производительность котла, давление и эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции клапана.

На котлах, помимо обязательных приборов, устанавливают приборы, контролирующие уровень воды в котле, а в ряде случаев и ее температуру. Устанавливают также устройства, автоматически подающие звуковую или световую сигнализацию при снижении уровня воды в котле до минимального.

Недостаток воды в котле является наиболее частой причиной повреждения котла и взрыва.
Для устранения такой опасности в потолке топки устанавливают предохранительную пробку из легкоплавкого свинцово - оловянистого сплава. При недостатке воды в котле верхняя часть топки перестает охлаждаться, пробка, нагретая топочными газами, быстро расплавляется и в образующееся отверстие начинает поступать пар, который тушит огонь в топке.

***

Идеальный цикл Карно для тепловых машин

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):