Так как основным типом котлов, используемых в качестве главных и вспомогательных на судах с КТЭУ (котлотурбинная энергетическая установка), являются водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией, то весь последующий материал (если это не оговорено отдельно) будет посвящен данному типу паровых котлов.
Топочные устройства
Топочные устройства для сжигания мазута состоят их двух основных частей: топливной форсунки, предназначенной для распыливания топлива, и воздухонаправляющего устройства, обеспечивающего такую организацию подвода воздуха, при которой происходит хорошее перемешивание его с распыленным топливом, подогрев и испарение топлива, непрерывное поджигание топливовоздушной смеси и устойчивое ее горение.
Топочные устройства могут размещаться с одного или обоих фронтов котла, а также сбоку, сверху или в нижней части топки. Число установленных на котле топочных устройств может быть от одного (на вспомогательных котлах) до 8 ÷ 16 (на главных котлах). Чем меньше производительность каждой форсунки и чем больше их установлено на фронте котла, тем легче добиться высокого качества процессов смесеобразования и горения. Но установка большого числа форсунок значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию котла, возрастает возможность закоксовывания неработающих форсунок и увеличиваются протечки воздуха в топку через зазоры неработающих ВНУ.
В судовых паровых котлах используются следующие виды форсунок:
- механические – в форсунках этого типа распыливание топлива производится за счет давления, создаваемого топливным насосом. Струя топлива предварительно закручивается в вихревой камере и выходит в топку в виде конуса через тангенциальное отверстие. Механические форсунки обеспечивают высокое качество распыла, надежны, но обладают малым диапазоном регулирования расхода топлива. Одной из разновидностей механических форсунок является ротационная форсунка. В ней распыливание топлива производится за счет центробежных сил вращающихся деталей самой форсунки. Но ротационные форсунки сложны в изготовлении и менее надежны в работе;
- воздушные и паровые (пневматические) – в этих форсунках используется эффект эжекции, в результате которого движущаяся струя воздуха или пара увлекает за собой частицы топлива. Топливо поступает к форсунке самотеком из расходного бака, устанавливаемого над форсункой, и под действием кинетической энергии паровой или воздушной струи дробится на мельчайшие капли. Пневматические форсунки имеют простое устройство, менее требовательны к обработке деталей, но для обеспечения качественного распыла для их работы необходим большой расход пара или воздуха;
- паромеханические – сочетают в себе преимущества механических и паровых форсунок. Наконечник форсунки имеет два канала: мазутный и паровой. При больших расходах топлива эта форсунка работает как обычная механическая, а при малых расходах для качественного распыливания топлива дополнительно подается пар.
Воздухонаправляющие устройства паровых котлов должны обладать следующими свойствами: обеспечивать высокое качество и стабильность горения факела при минимальных коэффициентах избытка воздуха и минимально возможных гидравлических сопротивлениях фронта котла; иметь возможность регулирования расходов воздуха в широком диапазоне нагрузок котла, обеспечивая при этом достаточно высокие скорости движения потока воздуха на режимах пониженных нагрузок;
В судовых паровых котлах используются следующие типы ВНУ (воздухонаправляющее устройство):
- ВНУ с завихрителями. В этих устройствах закрутка потока воздуха осуществляется с помощью лопаточного направляющего аппарата – завихрителя. Воздух, проходя через лопаточный аппарат завихрителя, получает вращательное движение вокруг оси. Причем закручивание воздуха производится в сторону, противоположную закручиванию струи топлива в форсунке с целью лучшего дробления топлива и более качественного перемешивания его с воздухом;
- осевые ВНУ со стабилизаторами. В устройствах этого типа аэродинамические условия, необходимые для организации очага горения в факеле, создаются в результате взаимодействия осевой струи воздуха с коническим стабилизатором, устанавливаемым на форсунке. При движении воздуха за конусом стабилизатора создается зона разрежения, вызывающая обратный ток газов, направленный навстречу потоку распыливаемого топлива. Стабилизатор является одновременно и турбулизатором потока;
- комбинированные ВНУ – в этих устройствах используются сочетания закрученного и незакрученного потоков. Обычно применяются двухзонные ВНУ, в которых центральный поток воздуха является закрученным, а периферийный – осевым. Основным преимуществом комбинированных ВНУ является возможность регулирования расхода воздуха путем поворота лопаток: при работе на полной нагрузке лопатки центральной зоны повернуты вдоль потока воздуха и устройство работает как обычное осевое ВНУ со стабилизатором; с уменьшением производительности форсунки лопатки поворачиваются на определенный угол, обеспечивая закручивание потока воздуха.
Конструкция топочного устройства вспомогательного котла типа КВВА с паромеханической форсункой и комбинированным однозонным воздухонаправляющим устройством показана на рис. 20.
Парообразующие поверхности нагрева
Перенос тепла от факела и газов к котловой воде и пароводяной смеси производится через поверхности нагрева, расположенные на пути продуктов сгорания топлива. В процессе передачи тепла температура газов понижается от 1800 ÷ 2000 °С в топке до 190 ÷ 500 °С на выходе из котла. Перенос тепла в котле производится всеми существующими способами теплообмена − теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Парообразующими (испарительными) называют такие поверхности нагрева котла, в которых за счет теплоты сгорания топлива происходит превращение котловой воды в пар. В зависимости от того, какой способ передачи тепла в данной поверхности нагрева является доминирующим, различают экранные и конвективные парообразующие поверхности нагрева.
К экранным поверхностям нагрева относят трубы, непосредственно ограничивающие топочное пространство и освещенные факелом. В экранах основное количество теплоты (80 ÷ 90 %), передаваемое воде, составляет теплота излучения факела, и только 10 ÷ 20 % передаваемой теплоты приходится на конвективный теплообмен. По этой причине экранные поверхности нагрева называют также лучевоспринимающими или радиационными. Экранные поверхности нагрева выполняются, как правило, в виде сплошной стенки труб, расположенных в один ряд (реже – в два ряда), без зазоров между трубами (рис. 21.а).
Пространство, расположенное за экранным пучком труб, является необогреваемым, и в современных судовых котлах в нем размещают опускные необогреваемые трубы.
Конвективными парообразующими поверхностями нагрева называют такие поверхности, в которых основное количество теплоты (90 ÷ 95 %) передается за счет конвекции при омывании труб потоком газов, имеющих высокую температуру. Такие поверхности нагрева могут иметь шахматное или коридорное строение (рис. 21.б, в). Каждый тип строения конвективной поверхности нагрева имеет свои преимущества и недостатки: шахматное расположение труб вызывает бóльшую турбулизацию обтекающего трубы потока газов, и соответственно бóльшую интенсивность теплообмена, но оказывает значительное аэродинамическое сопротивление движущимся газам.
Коллекторы паровых котлов
Все трубы испарительной и опускной части котла крепятся своими концами в коллекторах (паровом и водяном) методом вальцовки. Иногда, в высоконапряженных котлах, трубы могут крепиться с помощью сварки, либо комбинированным способом (вальцовкой и сваркой).
Коллекторы паровых котлов (рис. 22) представляют собой сварные цилиндрические стальные толстостенные конструкции. У коллекторов больших диаметров (паровых) днища имеют эллиптическую форму. Обечайка коллекторов в месте крепления труб имеет утолщенную конструкцию и называется трубной доской. Все коллекторы, для обеспечения проведения осмотров и ремонтных работ, имеют в днищах лазовые отверстия с лазовыми затворами. Внутри коллекторов устанавливаются различные перегородки, выгородки и другие внутриколлекторные устройства.
В состав внутриколлекторных устройств парового коллектора (в зависимости от конструкции котла) могут входить следующие устройства:
- различного рода сепарационные устройства: дырчатые щиты, жалюзийные сепараторы, внутриколлекторные циклоны и др., обеспечивающие сепарацию пара − отделение пара от воды из пароводяной смеси и снижение влажности пара;
- питательная труба, обеспечивающая равномерное распределение питательной воды по коллектору и подачу ее к опускным трубам;
- пароотборные устройства: паросборные трубы или паровые выгородки, обеспечивающие отбор насыщенного отсепарированного пара из парового коллектора и его подвод к пароперегревателю;
- воронки и трубы системы отбора проб котловой воды;
- воронки и трубы системы верхнего продувания котла;
- трубная система пароохладителя.
Внутриколлекторные устройства водяных коллекторов и коллекторов пароперегревателей предназначены в основном для равномерного распределения сред по их длине и организации движения этих сред. В состав внутриколлекторных устройств водяных коллекторов и коллекторов пароперегревателей входят различного рода щитки, выгородки, перепускные трубы, трубопроводы систем продувания.
Пароперегреватели
Пароперегревателями называют такие поверхности нагрева котла, в которых происходит перегрев сухого насыщенного пара до необходимой температуры. Эти поверхности нагрева могут быть выполнены: радиационными − в виде экрана в топке котла; радиационно-конвективными − в виде притопочного трубного пучка; конвективными − в виде конвективного пучка труб, расположенного в том или ином месте газохода котла. В отличие от испарительных поверхностей нагрева, в пароперегревателях всегда имеет место принудительное движение среды (пара) за счет разности давлений в паровом коллекторе и за главным стопорным клапаном котла. Это обстоятельство дает больше свободы в выборе конструктивных схем пароперегревателей.
В настоящее время в судовых и корабельных паровых котлах наиболее часто используются следующие типы пароперегревателей:
- вертикальный петлевой пароперегреватель (рис. 23.а) − конструктивно состоит из коллектора, разделенного продольной перегородкой на две полости, и рядов труб, выполненных в форме петель и соединяющих полости коллектора. Этот тип пароперегревателя располагают обычно в газоходе за конвективным испарительным пучком (рис. 19.б), либо внутри испарительного пучка труб (рис. 8.б);
- вертикальный двухколлекторный пароперегреватель (рис. 23.б) − состоит из нижнего и верхнего коллекторов, соединенных рядами труб. Этот тип пароперегревателя размещают обычно за конвективной парообразующей поверхностью нагрева котла;
- горизонтальный змеевиковый пароперегреватель (рис. 23.в) − в его конструкцию входят два коллектора малого диаметра, соединенные рядами труб, выполненных в форме параллельно включенных змеевиков. Такой тип пароперегревателя хорошо вписывается в вертикальный газоход котла и размещается за всеми испарительными поверхностями нагрева.
Хвостовые поверхности нагрева
Хвостовыми называют поверхности нагрева котла, расположенные в самом конце газового тракта. К таким поверхностям нагрева относятся водяные экономайзеры и воздухоподогреватели.
Применение хвостовых поверхностей нагрева связано со стремлением обеспечить высокую экономичность парового котла при его минимальных массогабаритных показателях. При этом целесообразность их установки тем больше, чем выше параметры пара, вырабатываемые котлом.
Все отечественные главные паровые котлы в обязательном порядке оборудуются водяными экономайзерами. Установка же воздухоподогревателя производится не на всех конструкциях котлов, так как присутствие этой поверхности нагрева усложняет конструкцию и эксплуатацию котла, и значительно увеличивает его массогабаритные показатели. Это связано с тем, что процесс теплопередачи от газов к воздуху протекает намного хуже, чем от газов к воде в испарительных поверхностях нагрева. Поэтому воздухоподогреватели имеют габариты, намного превышающие габариты других поверхностей нагрева. Установка же воздухоподогревателей в высоконапорных котлах вообще нецелесообразна, так как воздух после сжатия в компрессоре ТНА имеет достаточно высокую температуру: 160 ÷ 170 °С.
Водяные экономайзеры (рис. 24) являются непременными элементами современного парового котла и предназначены для предварительного подогрева питательной воды перед подачей ее в паровой коллектор за счет теплоты уходящих из котла дымовых газов.
Предварительный подогрев воды позволяет сократить размеры испарительной части котла и снизить расход топлива на подогрев воды в испарительной части. В зависимости от степени нагрева питательной воды в экономайзерах, они подразделяются на некипящие и кипящие. В некипящих экономайзерах питательная вода имеет недогрев до температуры кипения в несколько градусов. Такой недогрев питательной воды до кипения несколько снижает КПД котла, но обеспечивает более надежную работу экономайзера. Кипящие экономайзеры в судовых котельных установках не применяются.
В настоящее время в конструкциях паровых котлов применяют следующие типы экономайзеров:
- гладкотрубные экономайзеры.
- плавниковые экономайзеры со сплошными и пустотелыми плавниками;
- оребренные экономайзеры со сплошными и звездообразными стальными или силуминовыми ребрами;
Применение оребрения или плавников значительно увеличивает тепловоспринимающую поверхность экономайзеров, тем самым позволяя сократить их габариты, но приводит к появлению ряда существенных недостатков: уменьшению надежности работы, усложнению технологии изготовления, ремонта и эксплуатации. Наибольшее предпочтение в отечественном котлостроении отдают гладкотрубным экономайзерам.
Воздухоподогреватели паровых котлов предназначены для предварительного подогрева воздуха, поступающего в топку котла. Подача в топку подогретого воздуха улучшает условия протекания топочного процесса, способствует повышению температуры газов в топке и газоходах котла. Использование воздухоподогревателей позволяет увеличит КПД котла на 3 ÷ 5 %.
Тип и конструкция применяемого воздухоподогревателя во многом зависит от конструкции самого котла, его назначения и заданной степени экономичности. Применяемые в паровых котлах воздухоподогреватели можно классифицировать по следующим признакам:
- по способу передачи теплоты: рекуперативные, в которых передача теплоты нагреваемому воздуху происходит через поверхность нагрева; регенеративные, в которых передача теплоты происходит за счет поочередного омывания теплоаккумулирующей поверхности горячими газами и нагреваемым воздухом;
- по роду греющего теплоносителя: газовые; паровые; водяные;
- по типу поверхности нагрева: гладкие и ребристые;
- по профилю поверхности нагрева: пластинчатые и трубчатые;
- по числу ходов воздуха и газов: одно-, двух-, трех- и четырехходовые;
- по расположению труб: вертикальные и горизонтальные.
В судовых котлах нашли широкое применение два типа воздухоподогревателей:
- паровые, греющей средой в которых является отработавший пар;
- газовые, греющей средой в которых являются продукты сгорания.
Паровые воздухоподогреватели не могут обеспечить высокой температуры подогрева воздуха. Кроме того паровые воздухоподогреватели дороже газовых из-за применения паропроводов и паровой арматуры. Поэтому более широкое распространение в судовых котлах получили газовые рекуперативные воздухоподогреватели.
В рекуперативных воздухоподогревателях продукты сгорания топлива обычно омывают трубы изнутри, а нагреваемый воздух движется в межтрубном пространстве (рис. 25.а). Встречаются и обратные схемы воздухоподогревателей с движением воздуха внутри труб (рис. 25.б). Компактность конструкции воздухоподогревателей можно существенно повысить за счет оребрения поверхности с воздушной стороны, а повышения температуры подогреваемого воздуха достичь за счет применения нескольких расположенных друг за другом секций.
Регенеративные воздухоподогреватели намного легче, компактнее и дешевле рекуперативных. Основой их является медленно вращающийся ротор, омываемый поочередно горячими газами и холодным воздухом (более подробно конструкция регенеративных воздухоподогревателей описана в разделе газотурбинных установок). Но распространения в отечественных котельных установках регенеративные воздухоподогреватели не получили из-за склонности к загрязнению, сложности в эксплуатации и больших утечек воздуха в дымовую трубу.
Арматура паровых котлов
По выполняемым функциям арматуру паровых котлов можно разделить на следующие группы:
- арматура для управления работой котла: питательные, топливные клапаны и клапаны отбора насыщенного и перегретого пара;
- арматура системы защиты котла: импульсные, предохранительные клапаны, клапаны быстрозапорных устройств остановки котла;
- арматура физико-химического контроля: клапаны отбора проб, ввода присадок, верхнего и нижнего продувания, водоуказательные приборы;
- дополнительная арматура: клапаны выпуска воздуха, дренажа, присоединения к контрольно-измерительным и регулирующим приборам.
Как правило, на всех типах водотрубных котлов устанавливается следующий набор арматуры:
На паровом коллекторе:
- ручной питательный клапан (один или два) – для ручного регулирования подачи питательной воды из экономайзера в котел;
- автоматический питательный клапан – входит в состав регулятора питания котла;
- питательные невозвратные клапаны – обеспечивают подачу питательной воды только в направлении парового коллектора, и предотвращают упуск воды из котла при разрыве питательной трубы;
- главные предохранительные клапаны (не менее двух);
- импульсные предохранительные клапаны;
- контрольные предохранительные клапаны;
- вспомогательный стопорный клапан – для отбора насыщенного пара из парового коллектора;
- водоуказательные приборы (не менее двух: левый и правый) – для визуального контроля уровня воды в паровом коллекторе;
- клапан верхнего продувания;
- сообщительные клапаны к конденсационному сосуду;
- импульсный клапан к регулятору питания;
- клапан отбора проб котловой воды;
- клапаны выпуска воздуха на пароперепускной трубе, конденсационном сосуде и вспомогательном стопорном клапане.
- клапаны пароохладителя (в случае, если в состав котла входит пароохладитель).
На водяном коллекторе:
- клапаны нижнего продувания котла (не менее двух).
На верхнем коллекторе пароперегревателя:
- импульсный клапан к регулятору питания;
- клапан выпуска воздуха.
На нижнем коллекторе пароперегревателя:
- главный стопорный клапан (ГСК) – для отбора перегретого пара из котла;
- два дренажных клапана;
- импульсный клапан к БЗУ (быстрозапорному устройству котла);
- импульсный клапан к РДП (регулятору давления пара);
- клапан продувания ГСК.
На экономайзере и сообщительной трубе:
- клапан дренажа экономайзера;
- клапан кислотной промывки котла;
- клапан выпуска воздуха.
Футеровка и изоляция паровых котлов
Работа парового котла сопровождается значительным тепловыделением, воздействующим не только на поверхности нагрева, но и на другие конструктивные элементы парового котла. Для защиты металлических элементов внутреннего кожуха от воздействия высокой температуры все конструкции, не закрытые поверхностями нагрева, покрывают слоем тепловой изоляции.
В качестве изоляции в паровых котлах используют: асбест, шамотный кирпич, огнеупорные керамические изделия, огнеупорные карбид-кремниевые изделия, совелитовые плиты.
Кирпичная кладка (футеровка) покрывает все стены топки и газоходов (рис. 26, 27) вплоть до района, где температура газов не превышает 600 °С (обычно – район экономайзера). Кирпичи имеют, как правило, квадратную форму, и крепятся к внутреннему кожуху через слой асбестокартона. Более теплонапряженные кирпичи, находящиеся в районе топки, крепятся к элементам внутреннего кожуха котла с помощью индивидуальных болтов. Головки болтов утапливаются в кирпичи, а углубления заполняются мертелем – смесью шамотного порошка, огнеупорной глины и песка. Менее теплонапряженные кирпичи крепятся к внутреннему кожуху котла тавровыми планками, в которые они входят своими пазами.
Кирпичи, из которых выкладываются фурмы топочных устройств и смотровые устройства (рис.27), имеют сложные формы со скошенными краями.
Кирпичная кладка выполняется таким образом, чтобы со стороны газохода поверхность была ровной, без уступов (рис. 26). В районе переходов с одной толщины кирпича на другую внутренний кожух котла делают ступенчатым. В районе максимальных температур в высоконапряженных топках кирпичная кладка может выполняться в два слоя: нижний слой – шамотный кирпич; верхний слой – огнеупорные карбид-кремниевые изделия.
Футеровка является одной из самых дорогостоящих частей паровых котлов. Вес кирпичной кладки в некоторых паровых котлах может достигать 10 тонн и более.
Для изоляции наружного кожуха котла и коллекторов используются совелитовые плиты, укладываемые на совелитовую подмазку, и стягиваемые снаружи металлической сеткой. Сетка обмазывается сверху совелитовой штукатуркой, обтягивается тканью (перкалем или саржей) и красится серебрином.
Каркас, обшивка, фундаменты и опоры паровых котлов
Обмуровку топок и изоляцию газоходов водотрубных котлов крепят к каркасу, который обычно является несущей конструкцией для пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя и других устройств. Каркас, являющийся основанием внутреннего кожуха котла, обычно повторяет конфигурацию поверхностей нагрева (испарительных и перегревательного пучков труб).
Наружный кожух котла может быть, в принципе, произвольной формы. Он отстоит от внутреннего кожуха на расстоянии нескольких десятков сантиметров и дистанционируется от него различными распорными скобами, швеллерами, кницами и угольниками. Таким образом наружный и внутренний кожухи образуют единую жесткую коробчатую конструкцию. Пространство между кожухами используется для подачи воздуха к ВНУ.
Наружный кожух ВНК всегда делается цилиндрическим с эллиптическими днищами. Такая конструкция наружного кожуха способна выдерживать повышенное давление воздуха, подаваемого от компрессора турбонаддувочного агрегата в топку ВНК.
Для обеспечения доступа в топку котла и к его внутренним частям в наружном и внутреннем кожухах делаются специальные лючки и лазы, закрываемые в период работы котла газоплотными крышками.
Для установки и надежного крепления котла на судне служат фундаменты, привариваемые к судовому набору, и опоры, закрепляемые в нижних частях котла (на нижних коллекторах). Одна из опор котла делается неподвижной, с жестким креплением. Как правило, неподвижной является опора под нижним коллектором пароперегревателя со стороны переднего фронта котла (под главным стопорным клапаном). Остальные опоры, с целью обеспечения тепловых расширений при работе котла, выполняются подвижными. Подвижность опор обеспечивается овальностью отверстий под болты, устанавливаемые с дистанционирующими втулками (рис. 28).
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
