Общие сведения
С развитием и усовершенствованием водотрубных котлов все более уменьшаются диаметр водогрейных труб и размеры самих котлов. Применение труб малого диаметра выгодно с точки зрения теплопередачи, но они оказывают большое сопротивление движению воды и пароводяной смеси, т. е. отрицательно влияют на надежность циркуляции; кроме того, очистка труб малого диаметра от накипи и отложений весьма затруднена.
Скорость естественной циркуляции воды зависит в трубах в основном от разности плотности воды и паровоздушной смеси, высоты и диаметра испарительных труб. Чем выше давление пара в котле, тем меньше разность между плотностью воды и пара, т. е. надежность циркуляции воды в трубах снижается с увеличением давления пара.
Таким образом, повышение давления пара для котлов с естественной циркуляцией и рост тепловых нагрузок и поверхностей затрудняет надежную циркуляцию воды. Стенки труб только тогда надежно выдерживают давление пара, когда они сохраняют температуру, близкую к температуре воды в них. Это условие соблюдается только при хорошем омывании стенок водой или пароводяной смесью, т. е. при надежной циркуляции воды в трубах котла. Чрезмерно малая скорость циркуляции или застой воды в трубах могут привести к быстрому перегреву их стенок, т. е. к аварии котла. Это обстоятельство привело к мысли о создании так называемой принудительной циркуляции воды в трубах.
Котлы с принудительной циркуляцией можно разделить на два основных типа: прямоточные (т. е. с кратностью циркуляции, равной единице) и с многократной принудительной циркуляцией. Кратностью циркуляции можно назвать количество циклов по замкнутому контуру, которые должна сделать вода до полного ее испарения в этом контуре.
Котлы системы «Ла-Монт» с принудительной циркуляцией воды
На морских судах получили некоторое распространение котлы системы «ЛаМонт» с многократной принудительной циркуляцией.
Паропроизводительность главных судовых котлов типа «Ла-Монт» достигает 45-60 т/ч и более, а параметры пара-до 10 МПа и более при температуре перегретого пара до 500°С. Однако широкого распространения главные котлы не получили из-за высокой стоимости и сложности конструкции. Малые котлы с принудительной циркуляцией успешно применяют на теплоходах в качестве вспомогательных и утилизационных.
Простейшая схема прямоточного котла с принудительной циркуляцией воды типа «Ла-Монт» представлена на рис. 9.51.
Сравнительно небольшой пароводяной барабан 1 вынесен за пределы газохода 4 и служит только для сбора пароводяной смеси и ее сепарации, поэтому он не подвергается действию газов с высокой температурой.
Питательная вода подается в барабан 1 питательным насосом 6 через экономайзер 3, помещенный в последнем газоходе, в зоне наиболее низкой температуры газов. Особые циркуляционные насосы 13 (один из них резервный) принимают воду из барабана и подают ее через раздаточный коллектор 14 в параллельно включенные змеевики 12 топочных экранов и в пакеты змеевиков 9 конвективной поверхности нагрева.
Насыщенный пар из барабана 1 поступает в пароперегреватель 7, помещенный в среднем газоходе, и далее в виде перегретого пара по трубопроводу 8 направляется к механизмам (направление потока пара и воды во время работы котла показаны сплошными, а при пуске - пунктирными стрелками).
Рис. 9.51. Прямоточный котел «Ла-Монт» с принудительной циркуляцией воды: 1 - пароводяной барабан; 2 - магистраль насыщенного пара к потребителям; 3 - водяной экономайзер; 4 - корпус (бочка) газохода; 5 - проходной клапан; 6 - питательный насос котла; 7 - пароперегреватель; 8 - магистраль перегретого пара; 9 - змеевики конвективной поверхности нагрева; 10, 11 - проходные клапана; 12 - змеевики топочного экрана; 13 - циркуляционные насосы; 14 - распределительный коллектор.
При растопке котла во избежание пережога через трубы экономайзера и пароперегревателя, циркулирует вода. При этом открывают клапаны 10, 11 и закрывают клапан 5, предварительно наполнив котел водой до рабочего уровня. Когда давление пара превышает атмосферное, клапаны 10 и 11 перекрывают и включают пароперегреватель и экономайзер.
Насыщенный пар для хозяйственно-бытовых нужд отбирается из барабана 1 котла по магистрали 2.
Для равномерного распределения по параллельно включенным трубам в распределяющих коллекторах предусмотрены дроссельные шайбы или штуцера. Это позволяет выравнивать расход воды через отдельные трубы и пакеты вне зависимости от собственного гидравлического сопротивления и проводить его в соответствии с количеством тепла, получаемом трубами.
Кратность циркуляции в котлах «Ла-Монт» составляет 6-8, т.е. количество воды, проходящее по контуру котла за 1 ч. в 6-8 раз превышает его часовую паропроизводительность. Благодаря этому обеспечивается высокая скорость движения пароводяной смеси в трубах на всех нагрузках котла, даже при самых тяжелых условиях работы котла, на всех нагрузках перегрев труб невозможен.
На рис. 9.52 представлена схема движения воды и пара прямоточного котла с принудительной циркуляцией более сложной конструкции класса «Ла-Монт». В этом варианте схемы, как и в первой, пароводяной барабан вынесен из зоны высоких температур продуктов сгорания. Вода из пароводяного барабана, циркуляционным насосом подается к кипятильным трубам. Для распределение воды между трубами они подключены к коллекторам с помощью дроссельных шайб, отверстия в них таковы, что каждая труба получает воду в количестве, в 8 раз превышающем количество получаемого в ней пара. Благодаря этому обеспечивается высокая скорость движения пароводяной смеси в трубках на всех нагрузках котла и даже при самых тяжелых условиях работы котла перегрев труб невозможен. Однако, несмотря на преимущества, применение принудительной циркуляции, дроссельные шайбы и циркуляционный насос являются дополнительными источниками отказов котла.
Рис. 9.52. Прямоточный котел «Ла-Монт» с принудительной циркуляцией воды: 1 - трубопровод насыщенного пара; 2 - водяной экономайзер; 3 - регулятор питания котла; 4, 10 - вторая и первая парообразующие секции; 5 - рециркуляционная магистраль экономайзера; 6 - пароперегреватель; 7, 8 - входной и выходной коллекторы пароперегревателя; 9 - магистраль подвода пара к циркуляционному насосу; 11 - топка котла; 12, 16 - трубы второй и первой парообразующих секций; 13 - распределительный коллектор экрана задней стенки топки; 14 - клапан рециркуляции экономайзера; 15 - трубы экрана задней стенки топки; 17 - трубы пароперегревателя; 18 - трубы экономайзера; 19 - распределитель питательной воды в пароводяном барабане 25; 20 - парозаборное устройство; 21 - дефлектор; 22 - отбойныЙ лист; 23 - перегородка; 24 - дырчатый лист; 25 - пароводяной барабан; 26 - трубопровод всасывания циркуляционного насоса; 27 - коллектор экрана задней стенки топки; 28 - привод циркуляционного насоса; 29 - дифференциальный манометр; 30 - циркуляционный насос; 31 - патрубок раздачи; 32 - главный распределительный коллектор.
Принято считать, что применение принудительной циркуляции позволяет уменьшить накипеобразование в трубах, а также сократить время ввода котла из холодного состояния. Благодаря выравниванию температуры металла труб, конструкция котла подвергается меньшим температурным напряжениям. Кроме того, поскольку прогиб труб не оказывает влияние на процессы циркуляции, компоновка конструкции котла может быть различной.
Рис. 9.53. Общий вид вспомогательного котла «Ла-Монт»: 1 - электрофорсуночный агрегат; 2 - распорные штанги; 3 - питательные клапана; 4 - водомерная колонка; 5 - главный паровой стопорный клапан; 6 - регулятор питания; 7 - дымоотводная камера; 8 - змеевики испарительной части; 9 - верхний коллектор; 10- дымоотводный колпак; 11 - нижний коллектор; 12- экранный змеевик охлаждения топки; 13 - воздушная рубашка; 14 - топка; 15 - изоляция корпуса котла.
Общий вид компоновки вспомогательного котла типа «Ла-Монт» дана на рис. 9.53. Котел полностью автоматизирован. Для сжигания дизельного топлива используется форсуночный агрегат «Унитерм», в комплект которого входят воздушный вентилятор, шестеренчатый топливный насос и приводной электродвигатель. Давление топлива перед форсункой 1,8-2,0 МПа. Рабочее давление пара 0,7 МПа, паропроизводительность 650 кг/ч. Котел имеет защиту по прекращению горения и при прекращении циркуляции воды на нагнетательном трубопроводе.
Водотрубный котел «Лефлера» с принудительной циркуляцией пара
На морских судах существуют котлы не только с принудительной циркуляции воды, но и с принудительной циркуляцией пара. К котлам с принудительной циркуляцией пара относится котел «Лефлера», схема которого представлена на рис. 9.54. Насыщенный пар из пароводяного коллектора 4 нагнетается компрессором 5 через радиационный 6 и конвективный 7 пароперегреватели.
Рис. 9.54. Котел «Лефлера»: 1 - воздухоподогреватель; 2- трубопровод подвода перегретого пара к потребителям; 3 - питательный насос; 4 - пароводяной коллектор; 5 - компрессор; 6, 7 - радиационный и конвективный пароперегреватели; 8 - водяной экономайзер; 9, 10 - магистраль возврата пара.
Часть перегретого пара по магистрали 2 направляется к потребителям, а остальной пар по магистрали 9 или 10 возвращается в пароводяной коллектор 4. По магистрали 9 пар нагнетается таким образом, что барботирует через воду в паровом коллекторе котла. Теплоту перегрева этой части пара используют для испарения воды и получения насыщенного пара. По магистрали 10 пар поступает в пароводяной коллектор котла над уровнем воды вместе с питательной водой из экономайзера.
Тепло топочных газов передается пару циркулирующему в трубах поверхностей нагрева (в отличие от других типов котлов, где тепло передается пару и воде). Так как вода испаряется в пароводяном коллекторе котла, который не подвержен непосредственному подогреву продуктами сгорания, чистота питательной воды не является важным показателем, так как образование накипи не происходит.
Термомасляный котел с принудительной циркуляцией рабочей среды
К котлам с принудительной циркуляцией рабочей среды можно отнести и термомасляные котлы. Котельная установка включает два агрегата: вспомогательный и утилизационный. Рассмотрим конструкцию и принцип работы термомасляных котлов, изготовленных фирмой «Рейнсталь». Особенность котлов состоит в том, что в них вместо обычной воды используется специальный теплоноситель - термомасло типа «Жилотерм» очень высокого качества. Вспомогательный и утилизационный котлы имеют искусственную циркуляцию, создаваемую специальным насосом термомасла.
Рис. 9.55. Термомасляный котел с принудительной циркуляцией рабочей среды: 1 - верхняя часть змеевика 4; 2 - форсунка котла; 3 - вход термомасла в змеевик 5; 4 - внутренний змеевик; 5 - наружный змеевик; 6 - дымоход; 7 - разреженный участок для прохода дымовых газов; 8 - труба выхода горячего термомасла; 9 подвод воздуха к форсунке; 10 - топка котла; 11 - корпус котла с изоляцией.
На рис. 9.55 показана схема конструкции вспомогательного котла с термомасляным теплоносителем. Поверхность нагрева (она составляет 77 м2) скомпонована конструктивно в виде змеевиков наружного 5 и внутреннего 4. Котел имеет форму цилиндра диаметром 2250 мм и высотой 3045 мм, в верхней части которого размещена форсунка 2 для сжигания мазута, воздух к форсунке подводится по каналу 9.
Термомасло поступает сверху по трубам 3 и по наружному змеевику 5 движется вниз и далее к внутреннему змеевику 4, в котором оно имеет восходящее движение к верхним элементам 1 змеевика 4, и затем поступает в выходную трубу 8. Змеевики 5 по всей высоте цилиндра образуют сплошную стенку, а внутренние змеевики 4 в нижней части имеют разреженный участок 7, образующий проход для дымовых газов. Продукты сгорания, образовавшиеся в топке 10, поступают в кольцевое пространство, образованное сплошными стенками змеевиков 4 и 5, а в верхней части котла газы поворачивают вниз и движутся в кольцевом пространстве между наружными змеевиками 5 и корпусом котла 11. Отводятся газы в дымоход 6.
На рис. 9.55 показано стрелками движение дымовых газов. Таким образом, трубы змеевика 5 омываются газовым потоком с двух сторон и имеют только конвективный теплообмен, а змеевики 4 воспринимают лучистое тепло из топки 10 и частично конвективное тепло со стороны кольцевого пространства между змеевиками 4 и 5. Трубы змеевиков выполнены сварной конструкцией без фланцевых соединений.
Температура термомасла на входе в котел составляет 140°С, а на выходе из него 180°С. Давление термомасла в змеевиках, создаваемого насосом около 1,0 МПа. Количество масла в котле 1,27 м3 (1280 кг).
Утилизационный котел в этой установке также змеевиковой конструкции. Принципиальная схема термомасляного котла и его системы показана на рис. 9.56.
Рис. 9.56. Принципиальная схема термомасляного котла: 1 - корпус термомасляного котла; 2 - наружный змеевик; 3 - внутренний змеевик; 4 - форсунка; 5 - датчик температуры; 6 - трехходовой электромагнитный клапан; 7 - холодильник масла; 8 - датчик давления масла в системе; 9 - трехходовой электромагнитный клапан; 10 - цистерна пополнения утечек; 11 - фильтр; 12 - насос пополнения цистерны утечек; 13 - датчик потока масла; 14- циркуляционные масляные насосы; 15 - танк запасного масла; 16 - охлажденный теплоноситель от потребителя.
