Паровой котёл

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара, или пара сверхкритических параметров. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).

Первым котлом для производства пара можно считать котёл геронова эолипила (I в. н. э.). Дени Папен в конце XVII в. изобрёл и впервые применил предохранительный клапан. Практически значимое применение паровых котлов начинается с конденсационного насоса Томаса Севери, изобретённого в XVIII в., и атмосферной машины Ньюкомена.

Котёл машины Ньюкомена представлял собой сосуд формы, близкой к шарообразной, диаметром около трёх метров (10 футов), с выпуклым изнутри днищем, образовывавшим свод топки. Таким образом, днище котла обогревалось пламенем и излучением, а боковые стенки — горячими продуктами горения, проходившими по каналам кирпичной обмуровки. Уже в этом котле, таким образом, можно найти радиационные и конвекционные поверхности теплообмена. Машина Ньюкомена использовала насыщенный пар под атмосферным давлением, ни большой паропроизводительности, ни прочности от котла не требовалось, и он изготовлялся из меди. Котёл оснащался выпускным краном и предохранительным клапаном.

Уатт, подняв давление пара в своих машинах до 1,5 атм. и более, перешёл к коробчатым котлам, стянутым внутри для противодействия распору. Для удешевления котлы стали производить из железа. Обогревались они по-прежнему снаружи.

Для увеличения поверхности обогрева и, соответственно, паропроизводительности, котлы стали пронизывать одной («корнваллийские котлы», Тревитик, 1815) или двумя и тремя («ланкаширские котлы», Фейрберн, 1845) широкими жаровыми трубами, увеличивая поверхность теплообмена. Рост давления до 6 атм. и более привёл к переходу на цилиндрические котлы, склёпанные из листового железа. Малоуглеродистая пластичная сталь (сталь 1) позволяла успешно справляться с локальными перегревами. Отвод продуктов горения из жаровых труб под котлом позволял получить дополнительную кипятильную поверхность и поднять паропроизводительность, отвод над котлом — несколько подсушить и перегреть насыщенный пар. Котлы ланкаширского типа, с горизонтальными и вертикальными жаровыми трубами, активно применялись более 100 лет, и изредка до сих пор применяются в маломощных силовых и паропроизводящих установках. Разновидностью корнваллийского котла вертикального типа можно считать самовар.

Котлы с многочисленными узкими дымогарными трубами разработаны для первых успешных паровозов, первым был спроектированный Бутом котёл с 20-ю трубами для паровоза Стефенсона «Ракета». Для паровоза «Планета» Стефенсон применил усовершенствованный котёл, в котором вода окружала и топку, таким образом, использовалась не только конвекционная, но и радиационная поверхность обогрева, паропроизводительность котла возросла. Без принципиальных изменений котлы со многими дымогарными трубами использовались на паровозах до заката паровой эпохи на железных дорогах.

Устройством в ланкаширском котле тонких дымогарных труб после широких жаровых Стивенс создал тип котла, широко использовавшийся в морских паросиловых установках.

Дальнейший рост давления в крупных паросиловых установках ограничивался прочностью корпуса котла. Чтобы обойти эту проблему, а также развить поверхность обогрева ещё сильнее, были изобретены водотрубные котлы барабанного типа. В них парообразование происходит в трубах, омываемых потоком горячих газов (конвекционная поверхность) или обогреваемых излучением пламени в топке (радиационная поверхность). Большой цилиндрический корпус уступает место одному или нескольким небольшим барабанам, в которых вода отделяется от пара. Циркуляция в котле происходит либо естественно, за счёт разности удельных весов воды в опускных трубах и водо-паровой смеси в подъёмных, либо искусственно, при помощи насосов. При давлениях до 30 атм. применяются сварные барабаны толщиной стенки 30 мм, для более высоких давлений — цельнотянутые барабаны. При этом в стальной цилиндрической заготовке на прессе прошивают центральное отверстие, а затем, также на прессах, расковывают барабан толщиной стенки 100 мм и более. Концы барабана суживают до размеров люков обслуживания. Трубы используются бесшовные.

В котлах появляются пароперегреватели (чтобы избежать конденсации пара в турбине при его расширении и охлаждении), а в конце дымового хода устанавливают экономайзеры для подогрева питательной воды.

Типов барабанных водотрубных котлов множество (завода Бабкок и Вилькокс с одним барабаном, многобарабанные модификации котлов Стерлинга, котлы Ла Монта с принудительной циркуляцией и др.)

Являются дальнейшим развитием водотрубных котлов с принудительной циркуляцией, когда от многократной циркуляции отказались вовсе: питательная вода входит в котёл под рабочим давлением, создаваемым насосом, и по мере прохождения по трубам нагревается и полностью испаряется. Система обладает высокими удельными характеристиками, но требует насоса высокого давления и совершенной системы водоподготовки, поскольку не имеет барабанов, в которых обычно оседают грязь и накипь.

Основными технико-экономическими показателями работы котла являются:

• его КПД (отношение теплоты, унесённой с паром, к теплоте, развитой при сжигании топлива),
• удельная паропроизводительность в кг/час с 1 м² поверхности теплообмена,
• удельные капитальные затраты на паропроизводительность 1 т/час.

Наиболее наглядно работа котла может быть проанализирована по его рабочей характеристике, которая показывает теплообмен в котле на разных участках его рабочей поверхности. Характеристика показывает, что чем ближе к топке находится квадратный метр поверхности теплообмена, тем бо́льший тепловой поток проходит сквозь неё (поскольку разница температур между газами и водой в котле больше). На участках в конце дымохода, с небольшой разностью температур газов и воды, для получения того же количества теплоты необходимы бо́льшие поверхности теплообмена, таким образом, не всегда котёл с наибольшим КПД является экономически наиболее целесообразным: порой желание добрать последние несколько процентов теплоты газов обходится слишком дорого. Поэтому в конце дымоходов устраивают экономайзеры для подогрева питательной воды и воздухоподогреватели, но не дорогостоящие испарительные поверхности.

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы — теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественной^[англ.] и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

По типу топочных устройств паровой котёл подразделяется на:

• Слоевые топки
  • с плотным слоем
  • с кипящим слоем
• Камерные топки
  • факельные прямоточные
  • циклонные.

По виду сжигаемого топлива подразделяются на:

• Паровые котлы, работающие на газообразном топливе.
• Паровые котлы, работающие на твёрдом топливе.
• Паровые котлы, работающие на жидком топливе (мазуте или солярке).
• Паровые котлы, работающие на электрической энергии.

Котлы с камерной конструкцией топки работают на пылевидном топливе, в то время как со слоевой конструкцией сжигают твёрдое топливо.

Согласно ГОСТ 3619-89 Архивная копия от 5 июня 2012 на Wayback Machine, стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Параметры котла по возможности подбираются по стандартному ряду. После обозначения по ГОСТ может писаться в скобках заводская марка, например, Е-75-3,9-440БТ (БКЗ-75-39ФБ).

Вода, подаваемая в котёл питательным насосом (например, паровым инжектором), пройдя экономайзер, попадает в барабан (находится вверху котла), из которого под действием силы тяжести (в котлах с естественной циркуляцией) попадает в опускные необогреваемые трубы, а затем в подъёмные обогреваемые, где происходит парообразование (подъёмные и опускные трубы образуют циркуляционный контур). Из-за того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше плотности воды в опускных трубах, пароводяная смесь поднимается по экранным трубам в барабан. В нём происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Вода заново идёт в опускные трубы, а насыщенный пар уходит в пароперегреватель. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции воды по циркуляционному контуру — от 5 до 50 раз. Котлы с принудительной циркуляцией оснащены насосом, который создаёт напор в циркуляционном контуре. Кратность циркуляции составляет 3—10 раз^[1]. Котлы с принудительной циркуляцией на территории постсоветского пространства распространения не получили. Барабанные котлы работают при давлении меньше критического.

Прямоточные котлы не имеют барабана. Через испарительные трубы вода проходит однократно, постепенно превращаясь в пар. Зона, где заканчивается парообразование, называется переходной. После испарительных труб пароводяная смесь (пар) попадает в пароперегреватель. Очень часто прямоточные котлы имеют промежуточный пароперегреватель. Прямоточный котёл является разомкнутой гидравлической системой. Такие котлы работают не только на докритическом, но и на сверхкритическом давлении.

Котлоагрегат представляет технически сложное устройство, содержащее множество систем регулирования. Для надёжной и экономичной работы котла необходимо поддерживать на должном уровне множество технологических параметров:

• Система тепловой нагрузки котлоагрегата:
  • процесс горения в топке;
  • подачу воздуха в топку котла;
  • разрежение в топке;
• Система регулирования температуры перегретого пара;
• Система регулирования питания котлоагрегата^[2].

Регулирование питания паровых котлов осуществляется исходя из принятого максимально допустимого отклонения уровня воды в барабане ±100 мм от среднего значения. Снижение уровня может привести к нарушениям питания и охлаждения водоподъёмных труб. Повышение уровня может привести к снижению эффективности внутрибарабанных устройств. Перепитка барабана и заброс частиц воды в турбину может явиться причиной тяжёлых механических повреждений ротора и лопаток.

Автоматический регулятор должен обеспечивать постоянство среднего уровня воды в котле независимо от нагрузки и других возмущающих воздействий. В переходных режимах изменение уровня может происходить довольно быстро, поэтому регулятор питания для обеспечения малых отклонений уровня должен поддержать постоянство соотношения расходов питательной воды и пара. Эту задачу выполняет трёхимпульсный регулятор.

Система автоматического регулирования уровня, совмещающая принципы регулирования по отклонению и возмущению, получила наибольшее распространение на мощных барабанных котлах. Регулятор перемещает клапан при появлении сигнала дисбаланса между расходами питательной воды Дпв и пара Дпп. Кроме того, он воздействует на положение питательного клапана при отклонениях уровня от заданного значения.

Химический состав воды, циркулирующей в барабанных котлах, оказывает существенное влияние на длительность их безостановочной и безремонтной кампаний. К основным показателям качества котловой воды относятся общее солесодержание и избыток концентрации фосфатов. Поддержание общего солесодержания котловой воды в пределах нормы осуществляется с помощью непрерывной и периодической продувок из барабана в специальные расширители. Потери котловой воды с продувкой пополняются питательной водой в количестве, определяемом уровнем воды в барабане^[3].

• Водогрейный котёл
• Котёл отопительный
• Котёл водотрубный
• Котёл газотрубный
• Взрыв котла

• Э. П. Волков, В. А. Ведяев, В. И. Обрезков. Энергетические установки электростанций / Под ред. Э. П. Волкова.. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 280 с.
• Советский энциклопедический словарь. — М.: «Советская энциклопедия», 1990.
• ГОСТ 23172-78*. Котлы стационарные. Термины и определения.