Більш плодотворним виявився другий шлях розвитку - приєднання до барабана зовнішніх поверхонь нагріву, що привів до створення сучасних котлоагрегатів.

Першим етапом цього шляху було приєднання до основного барабана одного або двох барабанів досить великого діаметра (кілька сот міліметрів). Котли цього типу, що дістали назву барабанних (батарейних), давно втратили своє значення.

Другим етапом розвитку зовнішніх поверхонь нагріву було приєднання до основного барабана багатьох труб малого діаметра (70-100 мм) - кип'ятильних труб, що обмиваються всередині водою, а зовні - димовими газами. Котли з кип'ятильними трубами дістали назву водотрубних.

У перших конструкціях водотрубних котлів до барабана приєднувались проміжні елементи - камери, а до них - кип'ятильні труби (водотрубні котли заводського типу). Цей тип котлів можна вважати кінцевим підсумком першого періоду розвитку котельних конструкцій і разом з тим вихідним типом наступного періоду розвитку конструкцій сучасних котельних агрегатів з природною циркуляцією.

Загальним результатом розвитку котлів у перший період було істотне поліпшення техніко-економічних показників порівняно з вихідним - простим циліндричним котлом: вага металу, а також площі і об'єму, віднесених до 1 м2 поверхні нагріву. При цьому найкращі показники мали водотрубні котли. В той же час розвиток котельних конструкцій характеризувався зростанням відношення  - поверхні нагріву до водяного об'єму - i зменшенням ролі барабана як поверхні нагріву. В сучасних агрегатах барабан взагалі не є поверхнею нагріву.

Водотрубні котли можна поділити на дві групи: горизонтально-водотрубні (при невеликому куті нахилу кип'ятильних труб до горизонту) і вертикально-водотрубні (при куті нахилу труб понад 45°).

Горизонтально-водотрубні котли в свою чергу залежно від конструкції проміжних елементів між барабанами і кип'ятильними трубами поділяються на камерні і секційні.

У свій час існувало багато варіантів камерних котлів, камери яких мали вигляд плоских коробок значної ширини і висоти, але малої глибини. Укріплені анкерними в'язями камери приклепували до барабанів. Прямі кип'ятильні труби приєднувались до камер розвальцьовкою.

У нашій країні в свій час набули поширення камерні котли системи Лукіна, заводу Фіцнер і Гампер, а також котли системи Шухова, камери яких мали вигляд коротких циліндрів (головок, колекторів) із загальним люком. Це була оригінальна і для свого часу вдала і дешева конструкція, в якій стандартизувалися основні елементи.

Пізніше (в середині 30-х років) котли Шухова реконструювали і почали випускати котли Шухова-Берліна, які мали кращі показники щодо ваги і вартості, ніж котли Шухова.

Камерні котли мають багато недоліків - велика металомісткість, непридатність для високих тисків і великих потужностей, вони дорогі та ін. Тому виробництво таких котлів давно припинено.

Кроком уперед у розвитку горизонтально-водотрубних котлів було застосування замість суцільних камер окремих секцій коробчастої або циліндричної форми. Звичайно застосовувались коробчасті секції змієвидної форми з близьким до шахового розміщення труб у пучку. У горизонтальному перерізі секції майже квадратні, їх розміри невеликі. Коробчасті і циліндричні секції можна застосовувати для підвищених і високих тисків. Секційні котли Бабкок-Вількокс Ленінградського Металічного заводу (ЛМЗ), Таганрозького котельного заводу (ТКЗ) були досить поширені у нашій країні. Помітним етапом у розвитку секційних котлів був перехід до поперечного розміщення барабана. Це дало можливість підвищити одиничну потужність агрегату, спростити його конструктивну схему і здешевіти їх виготовлення.

Секційні горизонтально-водотрубні котли з поперечним розміщенням барабана і циліндричними секціями виготовлялись у нас до війни на параметри p == 35 бар, tn.п = 425° С і D = 160¸200 т/год. Вони були в той час найбільшими енергетичними котлоагрегатами. секційного

Проте горизонтально-водотрубні котли навіть найкращої конструкції складні і дорогі. Тому після війни виробництво їх було припинено.

У вертикально-водотрубних котлах кип'ятильні труби приєднують безпосередньо до барабанів. Проміжних елементів (камер, секцій) у цих котлах нема, що спрощує конструктивну схему. Верхні барабани таких виконують роль камер для приєднання труб і парозбірників - сепараторів, нижні барабани - камер і грязьовиків, з яких періодичним продуванням видаляють шлаки. Замість великої кількості (десятків і сотень) дрібних люків, що встановлювали у горизонтально-водотрубних котлах, у вертикально-водотрубних котлах передбачено декілька великих лазів, (не менше ніж 300´400 мм), крізь які можна проникнути в барабани. Розміщення барабанів, як правило, поперечне. Пучки кип'ятильних труб розміщують з великим нахилом до горизонту або вертикально. Труби приєднують до барабанів розвальцьовкою. Розвальцьовка їх у гніздах стінок барабанів робиться зсередини. На відміну від горизонтально-водотрубних котлів кип'ятильні трубки виконуються гнутими.

Вихідним типом сучасних вертикально-водотрубних котлів, стали котли Стерлінга з гнутими трубами, хоч у їх первісній, конструкції було багато недоліків: значна кількість барабанів. (три- і п'ятибарабанні) при малій одиничній видатності, багато рядів труб, розмішених по ходу димових газів, велика витрата металу і висока вартість котла.

Розвиток вертикально-водотрубних конструкцій характеризувався зменшенням кількості барабанів - найтяжчих і найдорожчих деталей котла - від п'яти до одного при одночасному збільшенні в десятки разів одиничної потужності котла, відмовленням від неактивно діючих, розміщених у зоні низьких температур газів, пучків котельних труб, спрощенням і поліпшенням конструктивної і циркуляційної схеми котла.

Конструкція двобарабанного агрегату ЦКТІ - ТКЗ це енергетичний агрегат середнього тиску (р = 36 бар) на той час великої видатності (D = 140 т/год). Конструктивна схема котла досить проста: верхній і нижній барабани, огріваний підйомний пучок труб, неогріваний опускний пучок і розвинена система топкових екранів, що є ефективною випарною поверхнею нагріву. За котельним пучком по ходу газів розміщені пароперегрівник, водяний економайзер і повітропідігрівник. Компоновка агрегата П-подібна.

Останнім часом будують тільки невеликі двобарабанні вертикально-водотрубні котли.

Транспортабельний (щодо можливості транспортування в складеному вигляді залізницею) котел ДКВ (двобарабанний котел вертикальний) з двома вподовж розміщеними барабанами. Котли цього типу (ДКВР) дещо модернізовані випускає тепер Бійський котельний завод. Їх виробність 2 т/год на тиск 8 бар без перегрівників і 4; 5; 6; 10; 20 т/год на тиск 13 бар і температуру перегрітої пари 350° С.

Після війни у нашій країні почали випускати потужні агрегати високого тиску однобарабанної конструкції екранного типу з розміщеним у верхній частині топки фестоном - три - або чотирирядним розрідженим пучком, утвореним розводкою труб заднього екрана. У великих котельних агрегатах, що випускаються останнім часом, у верхній частині топкової шахти встановлюють виступи («носки»), однорядні фестони і ширмові пароперегрівники у вигляді вертикальних ширм.

Для потужніших агрегатів ТП-90 виробністю 500 т/год і ТП-100 видатністю 640 т/год (для блоків 150 Мвт і 200 Мвт) на параметри пари р = 143 бар, tп. п = 570° С з проміжним перегрівом пари до 570° С ТКЗ застосовують нову Т-подібну компоновку. За такої компоновки топкова камера розміщується посередині у вихідному газоході, а конвективні елементи - у двох симетричних бічних опускних газоходах. Поряд з деякими перевагами Т-подібна компоновка разом з тим мала багато недоліків, через що пізніше їх не випускали. Схема власне котла в агрегатах ТП-90 і ТП-100 взагалі аналогічна схемі котла в агрегаті ТП-80.

У зв'язку з повним екрануванням топкових камер (f @ 1), зменшенням із зростанням тиску теплоти пароутворення r, підвищенням температури димових газів перед пароперегрівником, викликаним зростанням температури перегрітої пари, в агрегатах високого тиску відпала потреба в конвективних котельних пучках. У котлоагрегатах високого тиску вода перетворюється в насичену пару практично повністю в топкових екранах. При надвисоких тисках (180-190 бар) поверхня нагріву пароутворювальних екранів стає недостатньою для охолодження продуктів згоряння в топці до потрібної (щоб уникнути шлакування; температури. Тому

додатково в топці розміщують настінні екрани, які служать радіаційними пароперегрівниками.

У старих котельних конструкціях низького тиску котел був єдиною поверхнею нагріву. З ростом тиску і температури пари, застосуванням пароперегрівників і водяних економайзерів роль котла в загальному вбиранні теплоти безперервно зменшувалась. При тисках 180-190 бар основним у вбиранні теплоти і найважливішим (за умовами роботи) елементом став пароперегрівник. Помітно зросла також роль водяного економайзера. Так зростання параметрів пари істотно змінило профіль котельних агрегатів.

Агрегати з природною циркуляцією будуть для тисків до 190 бар. Це зумовлено тим, що при вищих, близьких до критичних тисках густина води і густина пари стають близькими за своїми значеннями, у зв'язку з чим дуже утруднюється організація надійної природної циркуляції і сепарації води від пари.

2.3 Прямоточні парогенератори

Принцип прямотоковості стосовно до парових котлів полягає в тому, що в елемент, який нагрівається (трубу, змійовик, ряд паралельно включених змійовиків), подається насосом стільки води, скільки в ньому утворюється пари. Найпростіший прямотоковий котел являє собою змійовик, в один кінець якого надходить вода, а з другого - виходить перегріта пара. Щоб дістати в потужних прямотокових котлах прийнятний гідравлічний опір котла, поверхні нагріву роблять у вигляді великого числа (кількох десятків) паралельних витків. Прямотокові котлоагрегати вигідно відрізняються від котлів з природною циркуляцією відсутністю важких і дорогих елементів - барабанів, системи неогрівних опускних труб і колекторів.

Прямотокові котли - єдино можливий тип котлів для вироблення пари близькокритичного і накидного тиску. Компоновка котла подібна, аналогічна до компоновки котлів з природною циркуляцією.

Живильна вода подається насосом у конвективний економайзер, звідки вона надходить у нижню радіаційну частину агрегату, виконану у вигляді стрічки, яка складається з 44 паралельно включених витків. У котлах Рамзіна застосовується горизонтальна навивка екранних труб. На фронтальній і бічних стінках топки стрічки розміщуються горизонтально, на задній - з нахилом, який дорівнює ширині стрічки. Нижня і середня частини радіаційної поверхні нагріву - радіаційний економайзер і котел.

З радіаційного котла пароводяна суміш з 20%-ним вмістом води надходить у конвективну перехідну зону, де закінчується перетворення всієї води в пару, яка перегрівається приблизно на 20-30° С. Потім пара надходить у радіаційний пароперегрівник, розміщений у верхній частині топки, і з нього - в конвективний пароперегрівник, в якому перегрівається до заданої температури 510° С.

Перехідну зону розміщують у конвективній частині, щоб уникнути частих аварій через перепал труб і для продовження компанії котла (періоду між промиваннями), бо в цій зоні на стінках труб інтенсивно відкладаються накипотвірні речовини. Прямотокові котли надкритичного тиску виконуються без винесення перехідної зони (точніше, зони максимальної теплоємності) у конвективний газохід. При цьому менше витрачається дорогої аустенітової сталі і знижується вартість котла.

Прямотокові парогенератори дуже вимогливі до якості живильної води, бо розчинені тверді речовини, що надходять з водою, не видаляються з парогенератора: частина їх осаджується на стінках труб, а частина заноситься з парою і осаджується на лопатях турбін.

Вже споруджено ще потужніші прямотокові котлоагрегати на майже ті самі параметри пари для блоків 500 і 800 Мвт видатністю відповідно 1600 і 2500 т пари на годину.

Крім котлів з природною циркуляцією і прямотокових агрегатів, існує ще багато конструкцій парових котлів з багатократною примусовою циркуляцією води, що здійснююється за допомогою спеціальних насосів, високонапірних парогенераторів з топками, які працюють під тиском, парогенераторів атомних електростанцій тощо. Проте ці конструкції не набули у нашій країні великого поширення і не мають важливого значення для великої енергетики.

3. Внутрішньокотлові процеси

3.1 Циркуляція води

Циркуляція - це безперервний рух речовини (рідини, газу) по замкненому шляху. Такий рух води - природна циркуляція - відбувається у водотрубному котлі під час його роботи внаслідок різниці густин пароводяної суміші в грійних трубах і води в ненагріваних.

На рис. III-48 показано схему найпростішого циркуляційного контуру, що складається з верхнього і нижнього барабанів, лівої грійної і правої ненагріваної труб. При роботі такого контура в усталеному стані в нагріваній трубі відбувається кипіння води, і труба на дільниці Нпар заповнена пароводяною сумішшю. При цьому утворюється рушійний напір Р, що дорівнює різниці зисків:

Нпар r¢ - Нпар rсум = Нпар(r¢ - rсум),

де r¢ і rсум - відповідно густини води й пароводяної суміші.

Цей напір при усталеному режимі дорівнює сумі опорів, що виникають під час руху води в контурі. Вода з верхнього барабана по ненагріваній трубі надходить у нижній барабан, а з нього-в грійну трубу. Після виходу суміші з труби у верхній барабан пара йде в паровий простір, а вода знов надходить у праву опускну трубу і т.д.

Джерелом енергії, що витрачається на перекачування води під час природної циркуляції води в замкненому контурі, є робота розширення парових бульбашок, що утворюються в кип'ятильній трубі при більш високому тиску, ніж тиск у паровому просторі - верхнього барабана котла.

При нормальному режимі циркуляції від стінок теплосприймальних поверхонь нагріву, що обмиваються водою, інтенсивно відводиться теплота. Коефіцієнт тепловіддачі при цьому від стінок до води дуже великий (обчислюється тисячами і десятками тисяч вт/м2 × град), тому температура стінок мало відрізняється від температури води і утворювані парові і виділювані газові бульбашки не можуть затримуватися на стінках: температура металу в різних частинах котла при змінних режимах швидко вирівнюється; від температурної нерівномірності не виникають помітні термічні напруги.

Режим циркуляції характеризується багатьма величинами: швидкістю циркуляції w0 м/сек називається швидкість води на вході в підйомну трубу, кратністю циркуляції К-відношення кількості води Gц, що надходить в грійну трубу, до кількості пари D, що утворюється в цій трубі за цей самий час,  кг/кг. Ця величина зворотна ваговому паровмістові суміші на виході з кип'ятильної труби.

У котлах з природною циркуляцією кратність циркуляції більша від одиниці. У сучасних котлах значення К коливається від 6 до 12. У прямотокових котлах вода не циркулює (К = 1).

Кипіти циркулююча вода починає не у вхідному перерізі труби, а на певній відстані від входу на висоті точки закипання hт. з. Це пояснюється тим, що коли вода у верхньому барабані навіть повністю нагріта до температури кипіння, то в нижньому барабані вона буде недогрітою, бо тиск тут вищий, ніж у верхньому барабані, і воді треба надати якусь кількість теплоти для нагрівання її до температури кипіння, що й відбувається на дільниці огріваної труби висотою hт.з.

На паротвірній дільниці підйомної труби пара й вода рухаються з різними швидкостями, середня абсолютна швидкість пари wn більша від середньої абсолютної швидкості води wb, різниця між ними називається відносною швидкістю пари wr = wn - wb. Зведеною швидкістю пари w0 називають швидкість пари, віднесену до всього перерізу труби, тобто ту швидкість, яку вона мала б, якби займала не частину перерізу труби (як це в дійсності має місце), а весь її переріз. Цією величиною, як і раніше наведеними, користуються при розрахунках циркуляції.

У парових котлах до колекторів і барабанів приєднується не одна, а багато паралельно діючих труб, в яких може бути порушений нормальний режим циркуляції. Найчастіші і найнебезпечніші порушення циркуляції бувають у вертикальних і круто нахилених грійних трубах через утворення вільного рівня (застою циркуляції) і перекидання циркуляції.

При утворенні вільного рівня води верхня частина труби буде заповнена парою; оскільки коефіцієнт тепловіддачі до майже нерухомої пари у багато разів менший від коефіцієнта тепловіддачі до води, то температура стінки труби сильно зросте, що може призвести до розриву труби. Це порушення циркуляції може статися не тільки при виводі пароводяної суміші з труби до парового простору барабана, а й при підведенні її під рівень води, хоча такий режим з утворенням парової пробки у верхній частині труби має менш стійкий характер.

Перекидання циркуляції полягає в тому, що вода в підйомній трубі рухається не знизу вгору, як при нормальному режимі, а зверху вниз - назустріч парі. При цьому через гальмування пари можуть утворюватись скупчення парових бульбашок, що повільно рухаються вздовж стінок, стінки гірше охолоджуються їх температура зростає, вони перегріваються, труби деформуються, інтенсивно розвивається корозія, що з часом призводить до розриву труб.

Причина цих порушень циркуляції - нерівномірне нагрівання паралельно включених труб і зменшення теплового навантаження труби до небезпечної величини через шлакування, занос леткою золою, тепловий перекіс (нерівномірність обігріву по ширині агрегату), затінення сусідніми трубами (при розведенні екранних труб у місцях пальникових амбразур) тощо.

Тому під час проектування і експлуатації котельних агрегатів намагаються забезпечити якомога рівномірніше обігрівання паралельно включених труб циркуляційного контура. Зокрема з цією метою екранні труби виділяють в окремі секції, розміщені по кутках топки.

Ненормальним вважається такий режим циркуляції, коли труба працює з граничною, близькою до одиниці, кратністю циркуляції. Цей режим небезпечний тому, що на вихідній ділянці труби інтенсивно відкладаються солі, що може призвести до швидкого перепалу. Щоб запобігти цьому, циркуляційні контури підбирають так, щоб загальна кратність циркуляції їх була не менше від трьох.

У горизонтальних і мало похилених грійних трубах може відбуватись розшарування пароводяної суміші і рух води в нижній частині, а пари - у верхній, що призведе до перегрівання стінки і т.д. При досить високих швидкостях води й пари розшарування не буває (сума зведених швидкостей води й пари повинна бути більшою за певну величину, що залежить від тиску). В опускних трубах для надійності циркуляції не можна допускати пароутворення.

У сучасних агрегатах, якщо не розглядати нестаціонарний режим, що супроводжується спадом тиску в котлі, ця умова витримується, бо опускні труби не обігріваються. Проте треба стежити, щоб у них не виникало кавітації - утворення пари на вхідній ділянці опускних труб через спад тиску в цьому місці, що зумовлюється втратою напору на створення вхідної швидкості.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5